瞬態(tài)火焰圖像處理系統(tǒng)開發(fā)及其在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

楊 曉， 劉建浩， 唐華兵， 婁 春， 程 強(qiáng)

(華中科技大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院 煤燃燒國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074)

瞬態(tài)火焰圖像處理系統(tǒng)開發(fā)及其在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

楊 曉， 劉建浩， 唐華兵， 婁 春， 程 強(qiáng)

(華中科技大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院 煤燃燒國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074)

熱能動(dòng)力工程裝置中涉及瞬態(tài)火焰圖像的檢測(cè)與處理，如內(nèi)燃機(jī)燃燒室中火焰溫度的檢測(cè)以及燃燒火焰脈動(dòng)特性的檢測(cè)?；陔p色測(cè)溫理論及傅里葉變換原理開發(fā)了一套瞬態(tài)火焰圖像處理系統(tǒng)，結(jié)合高速攝像儀獲得的瞬態(tài)燃燒火焰圖像，能夠計(jì)算瞬態(tài)火焰圖像的溫度分布、燃燒脈動(dòng)的幅頻特性。該系統(tǒng)已用于瞬態(tài)火焰圖像檢測(cè)處理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，檢測(cè)了定容彈燃用柴油的溫度分布以及層流擴(kuò)散乙烯火焰的脈動(dòng)特性。

熱能動(dòng)力工程裝置； 瞬態(tài)燃燒火焰； 圖像處理； 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

0 引 言

熱能動(dòng)力工程裝置中涉及瞬態(tài)火焰圖像的檢測(cè)與處理，例如：內(nèi)燃機(jī)燃燒室中的火焰是典型的隨時(shí)間變化的瞬態(tài)火焰，對(duì)這些瞬態(tài)火焰的圖像進(jìn)行檢測(cè)并分析得到火焰溫度，有助于降低燃燒污染物的排放[1]。擴(kuò)散火焰廣泛存在于鍋爐、窯爐等工業(yè)燃燒裝置中，對(duì)擴(kuò)散火焰的瞬態(tài)燃燒火焰圖像進(jìn)行檢測(cè)，將時(shí)域的火焰圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)，可以得到擴(kuò)散火焰脈動(dòng)的特征頻率。擴(kuò)散火焰脈動(dòng)頻率被用來表征擴(kuò)散火焰的可靠性[2]，脈動(dòng)頻率可以作為燃燒診斷和優(yōu)化燃燒的參考[3-5]，脈動(dòng)燃燒有助于提高工業(yè)燃燒裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性[6]。在熱能工程專業(yè)教學(xué)中開展對(duì)瞬態(tài)火焰圖像檢測(cè)處理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，有助于學(xué)生更好地掌握相關(guān)的專業(yè)知識(shí)及技能技巧[7-8]?，F(xiàn)有的燃燒實(shí)驗(yàn)教學(xué)及研究中，可以使用高速攝像儀直接獲得燃燒裝置中的瞬態(tài)火焰圖像，但還缺乏對(duì)瞬態(tài)火焰圖像進(jìn)行后處理的專業(yè)工具，因此，有必要開發(fā)一套能對(duì)瞬態(tài)火焰圖像進(jìn)行處理的系統(tǒng)，以得到瞬態(tài)燃燒火焰的溫度、特征頻率等信息。本文基于雙色測(cè)溫理論[9]及傅里葉變換原理開發(fā)了一套瞬態(tài)火焰圖像處理系統(tǒng)，結(jié)合高速攝像儀獲得的瞬態(tài)燃燒火焰圖像，能夠計(jì)算瞬態(tài)火焰圖像的溫度分布、燃燒脈動(dòng)的幅頻特性，并用于瞬態(tài)火焰圖像檢測(cè)處理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。

1 瞬態(tài)燃燒火焰圖像處理系統(tǒng)開發(fā)

瞬態(tài)火焰圖像檢測(cè)處理的教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，由被測(cè)火焰對(duì)象、高速成像硬件系統(tǒng)和火焰圖像后處理軟件三部分組成。高速成像硬件系統(tǒng)主要有高速攝像儀與計(jì)算機(jī)，火焰圖像后處理軟件則是結(jié)合火焰圖像處理技術(shù)[10]及計(jì)算機(jī)編程開發(fā)出的瞬態(tài)燃燒火焰圖像處理系統(tǒng)。教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)針對(duì)的是瞬態(tài)燃燒過程的檢測(cè)分析，用高速攝像儀完成對(duì)瞬態(tài)火焰圖像的捕捉，并將火焰圖像數(shù)據(jù)保存在計(jì)算機(jī)中；瞬態(tài)燃燒火焰圖像處理系統(tǒng)讀取計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)的火焰圖像數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理和計(jì)算得到瞬態(tài)燃燒過程特性，包括火焰溫度分布及燃燒脈動(dòng)的幅頻特性。運(yùn)用的基本原理包括：根據(jù)雙色法測(cè)溫原理計(jì)算火焰溫度，根據(jù)傅里葉變換原理計(jì)算火焰脈動(dòng)的幅頻特性。然后，在軟件的界面上顯示數(shù)據(jù)處理結(jié)果，同時(shí)將結(jié)果存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)硬盤上。

圖1 瞬態(tài)火焰圖像檢測(cè)處理的教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

瞬態(tài)燃燒火焰圖像處理系統(tǒng)基于雙色法測(cè)溫原理得到火焰溫度分布，高速攝像儀捕捉到紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)三基色的彩色熱輻射圖像，利用黑體爐對(duì)高速成像系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定[11]后，可以建立攝像機(jī)拍攝的彩色熱輻射圖像中每一像素的R、G、B值與紅、綠、藍(lán)三基色波長(zhǎng)下單色輻射強(qiáng)度Iλr、Iλg、Iλb的關(guān)系為：

(1)

式中:a0,a1,…,an，b0,b1,…,bn，c0,c1,…,cn分別為標(biāo)定系數(shù)，與彩色CCD圖像探測(cè)器有關(guān)；Iλr,Iλg,Iλb分別為波長(zhǎng)下λr,λg,λb的單色輻射強(qiáng)度，可通過Wein輻射定律計(jì)算，

(2)

根據(jù)雙色法(如：R和G)測(cè)溫原理，可以得到火焰圖像中任意一點(diǎn)像素的溫度：

(3)

根據(jù)上述原理及公式，操作所開發(fā)的瞬態(tài)燃燒火焰圖像處理系統(tǒng)讀取火焰圖像后，就能對(duì)火焰圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計(jì)算得到火焰圖像的溫度分布并保存計(jì)算的結(jié)果。在系統(tǒng)的界面中顯示火焰溫度分布，平均溫度值隨時(shí)間的變化，火焰飽和度的判斷，以及顯示鼠標(biāo)在火焰圖像上任一指定點(diǎn)的溫度值與RGB值。

2 瞬態(tài)燃燒火焰圖像處理系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

2.1 火焰溫度的檢測(cè)

在開展定容彈噴霧燃燒火焰溫度檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，定容彈內(nèi)柴油噴霧燃燒是高溫高壓的瞬態(tài)過程。由于定容彈的空間是密封的，現(xiàn)有的接觸式熱電偶測(cè)溫技術(shù)由于響應(yīng)速度慢，無(wú)法實(shí)現(xiàn)這種瞬態(tài)情況下的溫度測(cè)量。運(yùn)用本文開發(fā)的瞬態(tài)火焰圖像處理系統(tǒng)結(jié)合高速攝像儀，能夠完成定容彈內(nèi)柴油噴霧燃燒火焰溫度的檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)過程中，首先調(diào)節(jié)好高速攝像儀的拍攝參數(shù)，連接高速攝像儀與定容彈電控噴油系統(tǒng)，采用同步控制裝置同時(shí)觸發(fā)定容彈噴射柴油燃燒及高速攝像儀拍攝；然后，完成定容彈噴霧燃燒火焰的捕捉，得到定容彈噴霧燃燒程的燃燒火焰圖像，整個(gè)過程持續(xù)時(shí)間約為5 ms，選取部分定容彈內(nèi)柴油噴霧燃燒實(shí)驗(yàn)過程的火焰圖像如圖2所示。

圖2 定容彈噴霧燃燒實(shí)驗(yàn)中的火焰圖像(μs)

通過高速攝像儀完成定容彈燃油噴霧燃燒過程火焰圖像的捕捉后，操作瞬態(tài)火焰圖像處理系統(tǒng)對(duì)火焰圖像進(jìn)行處分析，得到定容彈燃油噴霧燃燒過程溫度分布，如圖3所示。

圖3 瞬態(tài)火焰圖像處理系統(tǒng)檢測(cè)火焰溫度的界面

通過瞬態(tài)火焰圖像處理系統(tǒng)對(duì)圖2中的火焰圖像計(jì)算得到的火焰溫度分布如圖4所示。

圖4 火焰溫度分布(K)

定容彈噴霧燃燒火焰溫度檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，瞬態(tài)火焰圖像處理系統(tǒng)對(duì)火焰圖像處理進(jìn)行處理的過程中，保存整個(gè)過程的每一幅火焰圖像對(duì)應(yīng)的溫度分布、平均溫度、最高溫度、溫度范圍統(tǒng)計(jì)分布，還可以通過軟件系統(tǒng)查看處理任一幅火焰圖像，即能夠計(jì)算得到整個(gè)燃油噴霧燃燒過程溫度場(chǎng)的變化，也能得到某一瞬間火焰溫度分布的信息。

2.2 火焰脈動(dòng)特性的檢測(cè)

運(yùn)用瞬態(tài)火焰圖像處理系統(tǒng)開展層流擴(kuò)散火焰脈動(dòng)特性檢測(cè)分析的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，高速攝像儀對(duì)應(yīng)的拍攝速度即為圖像的采樣頻率，實(shí)驗(yàn)過程中控制高速攝像儀的拍攝速度為1 000 f/s,調(diào)整好光圈和鏡頭的焦距使拍攝的火焰圖像清晰，通過高速攝像儀拍攝實(shí)驗(yàn)室層流擴(kuò)散火焰的圖像。實(shí)驗(yàn)過程中通過流量控制器控制氣體燃料的及伴流氣體的流量，各部分氣體的流量穩(wěn)定后，控制高速攝像儀拍攝層流擴(kuò)散乙烯火焰得到火焰圖像數(shù)據(jù)，部分火焰圖像如圖5所示。

圖5 火焰圖像

通過高速攝像儀獲得層流擴(kuò)散火焰圖像數(shù)據(jù)后，使用瞬態(tài)火焰圖像處理系統(tǒng)讀取火焰圖像，并進(jìn)行處理分析得到的層流擴(kuò)散火焰的脈動(dòng)特性，高速攝像機(jī)的拍攝速度為1 000 f/s，選取了部分連續(xù)火焰圖像數(shù)據(jù)，經(jīng)過瞬態(tài)火焰圖像處理系統(tǒng)分析得到的結(jié)果如圖6所示。從分析結(jié)果可以看出燃燒火焰脈動(dòng)的主要頻率[15]、脈動(dòng)的頻率分布及對(duì)應(yīng)的幅值。通過圖6所示的處理結(jié)果可以得到實(shí)驗(yàn)中的層流擴(kuò)散乙烯火焰脈動(dòng)的頻率范圍分布在1～30 Hz，其特征頻率為14 Hz。

圖6 瞬態(tài)火焰圖像處理系統(tǒng)檢測(cè)層流擴(kuò)散火焰脈動(dòng)特性的界面

改變實(shí)驗(yàn)工況，可以通過本系統(tǒng)快速地計(jì)算出不同工況下層流擴(kuò)散火焰脈動(dòng)的幅頻特性，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)燃燒火焰穩(wěn)定性的分析。

3 結(jié) 語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是熱能動(dòng)力工程專業(yè)教學(xué)中的重要環(huán)節(jié)，本文中開發(fā)的瞬態(tài)火焰圖像處理系統(tǒng)能用于燃燒實(shí)驗(yàn)教學(xué)的火焰溫度及特征頻率檢測(cè)。通過理論與實(shí)踐的結(jié)合進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有助于熱能動(dòng)力工程專業(yè)的本科生及研究生更好的掌握燃燒測(cè)試?yán)碚摷凹夹g(shù)。

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Development of Transient Flame Image Processing System and Its Application in Experimental Teaching

YANGXiao，LIUJianhao，TANGHuabing，LOUChun，CHENGQiang

(State Key Laboratory of Coal Combustion, School of Energy and Power Engineering,Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

Detection and processing of transient flame images are involved in thermal power engineering equipment, such as detection of flame temperature in internal combustion engine and pulsation characteristics of combustion flame. Based on the theory of double color temperature measurement and the principle of Fourier transform, a transient flame image processing system has been developed. Combining with transient combustion flame images captured by a high-speed camera, the system can calculate transient temperature distributions and characteristics of amplitude and frequency of combustion pulsation. It has been used in experimental teaching of detection and processing of transient flame images. Diesel combustion temperatures in internal combustion engine and pulsation characteristics of laminar diffusion flames have been measured. Combination of experimental teaching and theoretical teaching further stimulated the students’ interest in learning.

thermal power engineering equipment； transient combustion flame； image processing； experimental teaching

2016-10-10

科技部科技伙伴計(jì)劃項(xiàng)目(KY201401003)

楊 曉(1990-),男,湖北黃岡人,碩士生,主要從事燃燒測(cè)試的研究。Tel.:13720232142;E-mail:m13720232142@163.com

婁 春(1977-),男,重慶人,博士,副教授,主要從事燃燒檢測(cè)及輻射換熱研究。

Tel.:027-87542417-8319;E-mail:clou@hust.edu.cn

TK 39

A

1006-7167(2017)06-0055-03