CN116518372A - 一种火焰旋转装置及火焰结构三维重构测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种火焰旋转装置及火焰结构三维重构测量方法，该方法包括可旋转的射流燃烧器，以实现非对称稳定火焰对象旋转，固定位置的ICCD相机相对于可旋转火焰获得任意角度、高分辨率特征波长下的自发辐射投影图像，以及根据不同角度下火焰图像层析成像、三维重构测量方法。本发明的有益效果是：利用旋转台驱动射流燃烧器进行角度、速度可控的自旋运动，因此仅需一台ICCD相机就能够获取同一簇火焰各个角度的图像，解决了非中心对称稳态火焰在多角度拍摄时，需要多个相机或者多探头探测器的问题，从而达到大幅节约探测器硬件的目的。

Description

一种火焰旋转装置及火焰结构三维重构测量方法

技术领域

本发明涉及燃烧诊断的火焰三维重构技术领域，尤其涉及一种火焰旋转装置及火焰结构三维重构测量方法。

背景技术

化石燃料与可再生燃料燃烧产热在将来仍会是一次能源的主要来源，对燃烧形成火焰的形态与关键参量分布进行准确测量，是进行燃料燃烧状态评估、调节燃烧过程与发展燃烧理论模型的重要依据，因此，发展快速、便捷、非接触式火焰光学诊断方法对燃料清洁高效利用的有着重要意义。

相比于成熟的一维、二维火焰光学诊断方法，三维光学诊断能够提供更全面、丰富的火焰结构信息，在燃烧技术发展中发挥越来越重要的作用。基于火焰自发光技术诊断具有便捷、成本低的特性，现有已开发的基于自发光信号探测火焰三维重构技术大致可分为两类，一类是针对具有旋转轴对称特性的火焰，如平面火焰、同轴射流火焰及对冲火焰等，可以使用单台相机进行固定的单一角度采集火焰信号，将获得的沿光路投影积累光信号通过洋葱卷(Onion-peeling)方法进行反演，获得实际火焰的对称轴截面上参量的二维分布，从而达到三维测量的目的；另一类是针对非旋转轴对称的任意形状火焰，需要使用多台相机，通常为9台及以上，或者使用单台相机配合多探头探测器，进行多角度自发光信号采集，将不同角度的信号通过计算机层析成像方法进行反演，获得真实火焰结构的三维特性，该类方法的硬件设备成本很高、复杂、且测量仪器占用较多的空间。综上，上述两类三维重构技术的应用范围均具有各自的局限性。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种火焰旋转装置及火焰结构三维重构测量方法，旨在使用单台相机实现任意形状稳态火焰的三维重构，从而解决实际火焰在多角度拍摄时，需要多个相机或者多探头探测器的问题，从而达到大幅节约探测器硬件的目的。

为解决上述技术问题，本发明第一方面提出一种火焰旋转装置，包括旋转台，以及固定在所述旋转台顶端的射流燃烧器，所述射流燃烧器的顶端固定有与所述旋转台同轴的喷嘴，所述射流燃烧器的上方设置有可移动的遮挡片，将ICCD相机的镜头下沿与所述喷嘴的下沿对齐。

在一些实施方式中，所述射流燃烧器通过紧固件与所述旋转台可拆卸连接。

在一些实施方式中，还包括防震台，所述防震台的上端面安装有两部升降台，每部所述升降台的上端均安装有水平移轴，所述旋转台安装在其中一部所述水平移轴的上端，所述ICCD相机安装在另一部所述水平移轴的上端。

在一些实施方式中，所述射流燃烧器的顶部设置有疏松多孔的烧结金属喷口，所述喷嘴竖直贯穿所述烧结金属喷口，伴流空气接口和冷却水通路埋入所述烧结金属喷口。

在一些实施方式中，所述防震台、所述升降台、所述水平移轴、所述旋转台的台面，以及所述射流燃烧器的顶面均可调平。

在一些实施方式中，所述遮挡片与所述喷嘴之间的垂直距离为5mm。

在一些实施方式中，所述防震台、所述升降台、所述水平移轴、所述ICCD相机自下而上依次可拆卸地连接固定。

在一些实施方式中，所述ICCD相机的镜头前端可拆卸安装不同波长的窄带滤波片。

在一些实施方式中，所述旋转台的活动端标记有角刻度。

本发明第二方面提出一种火焰结构三维重构测量方法，应用于上述的火焰旋转装置，包括以下步骤：

调节所述遮挡片，令所述喷嘴喷射的射流火焰分割为两个分体火焰；

所述ICCD相机分别在使用不同规格的滤波片，以及不使用滤波片的状态下试拍摄若干组照片，确定最佳信噪比拍摄参数；

驱动所述旋转台，并通过所述ICCD相机实时采集所述射流火焰的多角度图像；

对所述多角度图像进行平均化和背景滤除操作，并导出标签图像文件；

将所述标签图像文件输入反演成像程序，反演成像生成三维可视化图像。

本发明的有益效果为：利用旋转台驱动射流燃烧器进行角度、速度可控的自旋运动，因此仅需一台ICCD相机就能够获取同一簇火焰各个角度的图像，解决了非中心对称稳态火焰在多角度拍摄时，需要多个相机或者多探头探测器的问题，从而达到大幅节约探测器硬件的目的。

附图说明

图1为本发明实施例公开的旋转台与射流燃烧器的立体图；

图2为本发明实施例公开的旋转台与射流燃烧器的正剖图；

图3为本发明实施例公开的火焰旋转装置的结构示意图；

图4为本发明实施例公开的反演成像程序的流程图；

其中：1-旋转台，2-射流燃烧器，3-螺栓，4-轴线，5-喷嘴，6-遮挡片，7-烧结金属喷口，8-伴流空气接口，9-冷却水通路。11-防震台，12-升降台，13-水平移轴，14-ICCD相机，15-数据处理计算机。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。

实施例一

本实施例提出了一种火焰旋转装置，通过将射流燃烧器2安装在旋转台1上，利用旋转台1驱动射流燃烧器2进行角度、速度可控的自旋运动，因此仅需一台ICCD相机14就能够获取同一簇火焰各个角度的图像，解决了非中心对称稳态火焰在多角度拍摄时，需要多个相机或者多探头探测器的问题，从而达到大幅节约探测器硬件的目的。

如图1、2所示，该装置包括旋转台1，以及固定在旋转台1顶端的射流燃烧器2，射流燃烧器2的顶端固定有与旋转台1同轴的喷嘴5，即喷嘴5的中心轴与旋转台1中心轴共线，参阅图2中的轴线4，射流燃烧器2的上方设置有可移动的遮挡片6，将ICCD相机14的镜头下沿与喷嘴5的下沿对齐。

在本实施例中，通过将射流燃烧器2整体固定在旋转台1上，以及将射流燃烧器2顶端固定的喷嘴5与旋转台1同轴设置，因此喷嘴5跟随能够旋转台1进行自转，同时ICCD相机14的镜头下沿与喷嘴5的下沿对齐，故一台ICCD相机14能够稳定获取同一簇火焰各个角度的图像。另外，遮挡片6可构造不同形状的稳态射流火焰，从图1可以看出，射流燃烧器2的顶部设置一根竖直的支撑杆，以该支撑杆的顶端为中心，设置一根可水平摆动的横杆作为遮挡片6，使遮挡片6的末端悬停在距喷嘴5mm处的正上方，即遮挡片6与喷嘴5之间的垂直距离为5mm，再轻微摆动遮挡片6，将射流火焰构造为一大一小两个分体火焰为最佳。

可选的，射流燃烧器2通过紧固件3与旋转台1可拆卸连接，该紧固件3可选择螺栓。在一示例中，射流燃烧器2具有双层结构，可分为底板，以及通过立柱支撑起来的顶板，螺栓将底板固定在旋转台1的活动端，形成稳定的、可拆卸的连接关系。

可选的，参阅图3，还包括防震台11，防震台11的上端面安装配有两部升降台12，每部升降台12的上端均安装有水平移轴13，旋转台1安装在其中一部水平移轴13的上端，ICCD相机14安装在另一部水平移轴13的上端。ICCD相机14获取的图像通过信道连接到数据处理计算机15。在该方案中，旋转台1和ICCD相机14均放置在同一个防震台11上，以减少微小震动带来的数据误差，与此同时，防震台11的上端面安装有两部升降台12，每部升降台12的上端均安装有水平移轴13，升降台12和水平移轴13形成一套位移装置。旋转台1使用一套独立的一套位移装置，ICCD相机14也使用一套独立的一套位移装置，应当知晓的是，升降台12能够分别为CCD相机14和旋转台1提供竖直方向的位移，以此使ICCD相机14对齐喷嘴5，两部水平移轴13需设置在同一直线上，用于调节ICCD相机14和升降台12的距离。

可选的，射流燃烧器2的顶部设置有疏松多孔的烧结金属喷口7，喷嘴5竖直贯穿烧结金属喷口7，伴流空气接口8和冷却水通路9埋入烧结金属喷口7。在该方案中，烧结金属喷口7嵌入上述顶板的中央，用于形成流速可控的均匀氧化剂伴流气。射流燃烧器2接通的燃气为乙烯，流速1.5～3.0m/s。烧结金属喷口7接通伴流空气接口8，能通过调整伴流空气的流量使射流火焰保持稳定。尤其是测试燃料量较大或燃烧时间较长时，还可以用冷却水通路9输入冷却水，降低烧结金属喷口7的温度。

可选的，防震台11、升降台12、水平移轴13、旋转台1的台面，以及射流燃烧器2的顶面均可单独调平，从而提高各组件的控制精度，避免旋转台1旋转后令到喷嘴5的轴心偏离轴线4。

可选的，防震台11、升降台12、水平移轴13、ICCD相机14自下而上依次可拆卸地连接固定，方便后续更换或拆卸收纳各组件。

可选的，ICCD相机14的镜头前端可拆卸安装不同波长的窄带滤波片，如中心波长550nm和650nm滤波片等。

可选的，旋转台1的活动端标记有角刻度，由于喷嘴5与旋转台1存在连接关系，故可以间接得到喷嘴5的旋转角度。

实施例二

本实施例提出了一种火焰结构三维重构测量方法，应用于实施例一所述的火焰旋转装置，包括以下步骤：

以上装置在使用时，需要先进行投影拍照空间尺度标定。具体的，利用火焰几何中心位置放置的标准标尺板在相机焦平面成清晰的像，记录燃烧器坐标与相机坐标，拍摄该标尺图样，通过所得图像上标尺实际长度与所占像素数的比值计算出当前ICCD相机的放大倍率。

调节遮挡片6，令喷嘴5喷射的射流火焰分割为两个分体火焰；在一些可选的实施方案中，燃料气体与伴流气体的种类可调，包含甲烷、乙烯等碳氢燃料，氧化剂采用空气、保护气采用氮气等。可以撤除遮挡片或任意改变遮挡片形状和位置，构造不同形状的火焰，均不影响本方法的准确性。

上述火焰构造完成后，ICCD相机14分别在550nm滤波片、650nm滤波片，以及不使用滤波片的状态下试拍摄若干组照片，确定最佳信噪比拍摄参数。

在0至180°区间内选择若干个点(拍摄角度即为拍摄时旋转台读示的刻度)，并根据预设的拍摄角度驱动旋转台1，并通过ICCD相机14在550nm滤波片、650nm滤波片、不使用滤波片的状态下实时采集射流火焰的多角度图像，通过多个拍摄区平均提高信噪比。

对多角度图像进行平均化和背景滤除操作，并导出标签图像文件输入反演成像程序，反演成像生成三维可视化图像，三维可视化图像包括：二维截面设色图、三维切片设色图、三维半透视散点设色图、三维半透视剖窗散点设色图。或者经过反演成像生成目标火焰的三维光强信号场、三维温度场的数据值。

本实施例的计算机反演成像具体过程流程图如附图4所示。所述计算机反演成像程序，在输入上述参数与文件后，先根据拍摄角度数组构建出投影矩阵，涉及算法包括常规的射线网格求交算法和提升计算速度的蛇形寻路算法，同时从图像文件中提取出有效射线，重新构建为测量矢量。获得上述投影矩阵和测量矢量后，对其进行代数重建算法的迭代计算，在有限步数内获得收敛结果，为图像矢量，图像矢量逆重构后即为与体素相同分辨率的火焰实际辐射信号的三维场。

在三维信号场所标识出的火焰信号范围内，根据双色测温方法，将相同条件下的550nm和650nm图像信号值代入算式，获得火焰实际温度的三维场。

本发明公开的火焰旋转装置配套的计算机反演成像程序，可基于MATLAB等软件平台编写。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种火焰旋转装置，其特征在于，包括旋转台，以及固定在所述旋转台顶端的射流燃烧器，所述射流燃烧器的顶端固定有与所述旋转台同轴的喷嘴，所述射流燃烧器的上方设置有可移动的遮挡片，将ICCD相机的镜头下沿与所述喷嘴的下沿对齐。

2.如权利要求1所述的火焰旋转装置，其特征在于，所述射流燃烧器通过紧固件与所述旋转台可拆卸连接。

3.如权利要求1所述的火焰旋转装置，其特征在于，还包括防震台，所述防震台的上端面安装有两部升降台，每部所述升降台的上端均安装有水平移轴，所述旋转台安装在其中一部所述水平移轴的上端，所述ICCD相机安装在另一部所述水平移轴的上端。

4.如权利要求1所述的火焰旋转装置，其特征在于，所述射流燃烧器的顶部设置有疏松多孔的烧结金属喷口，所述喷嘴竖直贯穿所述烧结金属喷口，伴流空气接口和冷却水通路埋入所述烧结金属喷口。

5.如权利要求3所述的火焰旋转装置，其特征在于，所述防震台、所述升降台、所述水平移轴、所述旋转台的台面，以及所述射流燃烧器的顶面均可调平。

6.如权利要求1所述的火焰旋转装置，其特征在于，所述遮挡片与所述喷嘴之间的垂直距离为5mm。

7.如权利要求3所述的火焰旋转装置，其特征在于，所述防震台、所述升降台、所述水平移轴、所述ICCD相机自下而上依次可拆卸地连接固定。

8.如权利要求1所述的火焰旋转装置及图像采集器，其特征在于，所述ICCD相机的镜头前端可拆卸安装不同波长的窄带滤波片。

9.如权利要求1所述的火焰旋转装置，其特征在于，所述旋转台的活动端标记有角刻度。

10.一种火焰结构三维重构测量方法，其特征在于，应用于如权利要求1-9任一项所述的火焰旋转装置，包括以下步骤：

调节所述遮挡片，令所述喷嘴喷射的射流火焰分割为两个分体火焰；

所述火焰图像采集的ICCD相机分别在使用不同规格的滤波片，以及不使用滤波片的状态下试拍摄若干组照片，确定最佳信噪比拍摄参数；

驱动所述旋转台，并通过所述ICCD相机实时采集所述射流火焰的多角度图像；

对所述多角度图像进行平均化和背景滤除操作，并导出标签图像文件；

将所述标签图像文件输入反演成像程序，反演成像生成三维可视化图像。