CN113139941A - 一种判断气体射流是否吹熄火焰的方法 - Google Patents

一种判断气体射流是否吹熄火焰的方法 Download PDF

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雷艳
王晓峰
仇滔
丁梦竹
马雪健
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    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
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    • G06T7/0002—Inspection of images, e.g. flaw detection
    • G—PHYSICS
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Abstract

一种判断气体射流是否吹熄火焰的方法，属于图像识别领域。利用高速摄影纹影法对气体射流吹向火焰的过程进行拍摄，获得不同时刻的照片，对每一张照片，提取纹影图像灰度，计算平均灰度梯度，进而计算图像平均灰度梯度变化率。气体射流吹熄火焰这组工况所有图片的平均灰度梯度变化率，选择其中最大值作为气体射流将火焰吹熄临界判断值θ0。计算其他工况图像平均灰度梯度变化率，找出各个工况的平均灰度梯度变化率最大值θi，若θi>θ0,则气体射流没有吹熄火焰，使得火焰得以加强。若θi≤θ0,则气体射流吹熄火焰。本发明可以处理由于周围背景环境密度变化剧烈，导致相同位置的背景灰度值差别较大的实验图像，进而判断气体射流是否吹熄火焰。

Description

一种判断气体射流是否吹熄火焰的方法
技术领域
本发明属于燃烧的图像识别技术领域，更具体的是涉及一种判断气体射流是否吹熄火焰的方法。
背景技术
在锅炉炉膛、燃气轮机燃烧室及火炬系统和内燃机等实际燃烧设备中,经常发生气体射流吹向燃烧着的火焰。在消防方面要求气体射流吹熄火焰，在其他一些行业中比如内燃机和锅炉等需要加强火焰的燃烧来提高效率。
对于射流吹向火焰的过程需要通过光学的设备进行研究，光学的观测手段主要有平面激光诱导荧光法(PLIF)、直接拍摄法、纹影法等，其中，PLIF技术具有响应快，干扰小，高灵敏度等优势，但受到荧光剂的冷凝情况、荧光的饱和状态等影响，其标定和测量结果的准确性难以保证。直接拍摄法就是通过相机直接拍摄来记录火焰燃烧的基本信息，对光学系统的要求较低。在面对柴油燃烧场景时，利用直拍法可以获得清晰的火焰图像。但是，由于直接拍摄法捕获了较为全面的信息，如果需要提取图像中的形态学特征，环境背景等因素会增加图像处理的难度，难以获得精确的量化指标来表征火焰的发展规律。
纹影法具有结果简单，成像技术好，精度高等优势，能够将流体的密度变化转化为光强信息记录下来。纹影法是研究高压射流火焰非常有价值的方法，能够提供火焰锋面、火焰传播速度、火焰速度分布等信息采用纹影法，进而获得射流燃烧特性数据。
对于火焰图像的处理，关键在于准确识别纹影图像中的射流与火焰区域边界，这是测量和研究燃烧演变历程的基础。早期研究采用手动识别测量方法，这种方法存在识别随机性大、效率低、和边界识别困难等问题。采用高速摄像机后，需要采用具有效率高和稳定性好的图像处理程序对燃烧图像进行处理。
传统的图像处理大多采用差影法，差影法是指图像的相减运算，把同一场景在不同时间拍摄的图像，进行相减。因为是同一场景，所以目标图像的背景大致是相同的。当两副图进行相减时，相同位置的背景灰度值相同，结果变成了黑点。而目标图像，相减后位置不是0。处理后的图像就只在两个目标图像的位置点有像素点，背景为全黑。而气体射流吹向火焰，射流和燃烧同时存在，此时周围背景环境密度变化剧烈，相同位置的背景灰度值不相同，因此差影法不适合处理射流燃烧。对于周围背景环境密度梯度的变化，反应在图像上是平均灰度梯度的变化。
发明内容
基于此，本发明所要解决的问题是提供一种判断气体射流是否吹熄火焰的方法。
步骤1：利用高速摄影纹影法拍摄气体射流吹向火焰，获得不同时刻的纹影照片；
步骤2：将获得的不同时刻的纹影照片，提取每张照片上全部像素点的灰度，计算每个像素点的平均灰度梯度，将照片上每个像素点的平均灰度梯度总和，然后除以像素点的个数，以此来计算整张照片的平均灰度梯度；
步骤3：找出每个工况中所拍摄照片平均灰度梯度最小值，将相同工况中某张图片的平均灰度梯度减去该工况图片中平均灰度梯度最小值，然后除以该工况图片中平均灰度梯度最小值，以此来定义计算出某张图片平均灰度梯度变化率；
步骤4：以气体射流将火焰吹熄这组图片中平均灰度梯度变化率的最大值，作为气体射流是否吹熄火焰的临界判断值θ0；
步骤5：对其他工况所拍摄的气体射流吹向火焰的纹影图像，计算平均灰度梯度变化率，得出每个工况所拍摄纹影图像的平均灰度梯度变化率最大值θi；
步骤6：若θi>θ0，则气体射流没有吹熄火焰；若θi≤θ0，气体射流吹熄火焰；
步骤7：对于所拍摄的纹影图像，提取纹影图像灰度g，用式1计算某像素点在X方向上的梯度，用式2计算Y方向上的梯度，用式3通过平方和的方式将像素点在X和Y方向上的梯度结合。式4计算整张图片的平均灰度梯度，式5计算某张图片平均灰度梯度变化率θ。
Figure BDA0003031781930000031
Figure BDA0003031781930000032
Figure BDA0003031781930000033
Figure BDA0003031781930000034
Figure BDA0003031781930000035
式中：x，y为像素点的坐标
gx为像素点在x方向上的平均灰度梯度，gy为像素点在y方向上的平均灰度梯度
g为像素点的平均灰度梯度
gk为一张照片的平均灰度梯度(1、2、3……n为像素点的个数)
gmin是某工况图像平均灰度梯度最小值，某张图片平均灰度梯度变化率。
附图说明
图1是流程图
图2是(1)甲烷射流吹熄火焰图像：图2(2)是甲烷射流没有吹熄火焰，使得火焰加强
图3是甲烷射流吹熄火焰图像的平均灰度梯度和甲烷射流没有吹熄火焰图像平均灰度梯度
图4是4个不同喷射延时工况的平均灰度梯度变化率
具体实施方式：
利用高速摄影纹影法拍摄甲烷射流吹向火焰，获得不同时刻的照片；
将获得的不同时刻的纹影照片，提取每张照片上全部像素点的灰度，计算每个像素点的平均灰度梯度，将照片上每个像素点的平均灰度梯度总和，然后除以像素点的个数，以此来计算每张照片的平均灰度梯度；
如图2所示，(1)此时甲烷射流吹向火焰，使得火焰熄灭；(2)甲烷射流吹向火焰，火焰不熄灭，反而加强；
以甲烷射流将火焰吹熄这组图片中的平均灰度梯度变化率最大值，作为气体射流是否吹熄火焰的临界判断值θ0；
如图3所示，一个工况不同时刻所拍摄的图片对应的平均灰度梯度，组成一幅平均灰度梯度曲线图，图3为5个工况。对于τ＝0这个工况，甲烷射流吹熄火焰工况，其中最小平均灰度梯度gmin＝0.0508，最大平均灰度梯度gmax＝0.0559。计算出临界平均灰度梯度变化率θ0为0.1。
如图4所示，不同工况对应一组平均灰度梯度变化率θ曲线图。当火焰点燃后，甲烷射流延迟0ms、2ms、4ms、6ms吹向火焰，即τ＝0ms、τ＝2ms、τ＝4ms、τ＝6ms的工况。
甲烷喷射延时τ＝0ms的工况下，其平均灰度梯度变化率θ始终小于θ0，说明该工况下，甲烷射流吹熄火焰。
甲烷喷射延时τ＝4ms的工况下，时间经过5ms，其平均灰度梯度变化率θ逐渐大于θ0，从而可以判断，甲烷射流没有吹熄火焰，使得火焰得以加强。
甲烷喷射延时τ＝6ms的工况下，时间经过7ms，平均灰度梯度变化率θ逐渐大于θ0，从而可以判断，甲烷射流没有吹熄火焰，使得火焰得以加强。

Claims (2)

1.一种判断气体射流是否吹熄火焰的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：利用高速摄影纹影法拍摄气体射流吹向火焰，获得不同时刻的纹影照片；
步骤2：将获得的不同时刻的纹影照片，提取每张照片上全部像素点的灰度，计算每个像素点的平均灰度梯度，将照片上每个像素点的平均灰度梯度总和，然后除以像素点的个数，以此来计算整张照片的平均灰度梯度；
步骤3：找出每个工况中所拍摄照片平均灰度梯度最小值，将相同工况中某张图片的平均灰度梯度减去该工况中图片平均灰度梯度最小值，然后除以该工况中图片平均灰度梯度最小值，以此来定义计算出某张图片平均灰度梯度变化率；
步骤4：以气体射流将火焰吹熄这组图片中平均灰度梯度变化率的最大值，作为气体射流是否吹熄火焰的临界判断值θ0；
步骤5：对其他工况所拍摄的气体射流吹向火焰的纹影图像，计算其平均灰度梯度变化率，得出每个实验工况所拍摄纹影照片中平均灰度梯度变化率最大值θi；
步骤6：若θi>θ0，则气体射流没有吹熄火焰；若θi≤θ0，气体射流吹熄火焰。
2.根据权利要求1所述的一种判断气体射流是否吹熄火焰的方法，其特征在于，所述步骤2、3计算平均灰度梯度和平均灰度梯度变化率，具体包括：
对于所拍摄的纹影图像，提取纹影图像灰度g，在纹影照片上建立x，y坐标轴；用式1计算某像素点在X方向上的梯度，用式2计算Y方向上的梯度，用式3通过平方和的方式将像素点在X和Y方向上的梯度结合；式4计算整张图片的平均灰度梯度，式5计算某张图片平均灰度梯度变化率θ；
Figure FDA0003031781920000011
Figure FDA0003031781920000012
Figure FDA0003031781920000013
Figure FDA0003031781920000021
Figure FDA0003031781920000022
式中：x，y为像素点的坐标
gx为像素点在x方向上的平均灰度梯度，gy为像素点在y方向上的平均灰度梯度
g为像素点的平均灰度梯度
gk为整张照片的平均灰度梯度，其中1、2、3…k…n为像素点的个数；
gmin是某工况图像平均灰度梯度最小值，θ为某张图片平均灰度梯度变化率。
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