基于可視化技術(shù)的生物質(zhì)燃料燃燒特性研究裝置開發(fā)

摘 要：生物質(zhì)燃料是一類最有前景的化石燃料替代物，因?yàn)樗麄兙哂械团欧拧⒖沙掷m(xù)及“零碳足跡”的優(yōu)點(diǎn)。為了對生物質(zhì)燃料的燃燒特性進(jìn)行一系列的研究，本文基于可視化技術(shù)設(shè)計(jì)并搭建了以定容燃燒彈為基礎(chǔ)的生物質(zhì)燃料燃燒特性測試平臺(tái)。針對實(shí)驗(yàn)獲取圖像樣本量大、處理不方便的問題，提出了基于Open CV的生物質(zhì)燃料燃燒過程圖像批量化處理方案。通過乙酸乙酯燃料的燃燒過程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對平臺(tái)的可行性和有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明：該平臺(tái)結(jié)構(gòu)合理，可操作性強(qiáng)，能夠適用不同壓力、不同溫度、不同當(dāng)量比工況下的氣體、液體等生物質(zhì)燃料的燃燒特性研究。

關(guān)鍵詞：可視化技術(shù) 生物質(zhì)燃料 燃燒特性

為了響應(yīng)全球零碳排放的號(hào)召，我國提出了“2030碳達(dá)峰2060碳中和”的宏偉愿景。其中交通運(yùn)輸行業(yè)實(shí)現(xiàn)碳中和的一條可行路徑是推動(dòng)具有“零碳足跡”的化石燃料替代物的發(fā)展，從而逐步減少化石燃料的使用，以此來降低碳排放并緩解能源短缺問題[1]。生物液體生物質(zhì)燃料是一類最有前景的化石燃料替代物，因?yàn)樗鼈兙哂械陀泻ξ镔|(zhì)排放、可持續(xù)使用以及“零碳足跡”等優(yōu)點(diǎn)[2]。作為化石燃料的潛在替代品，液體生物燃料被廣泛認(rèn)為是一種有前景的新能源，因?yàn)樗鼈兛梢栽鰪?qiáng)能源安全、保護(hù)環(huán)境，并有助于實(shí)現(xiàn)碳中和與降低二氧化碳峰值排放[3]。然而，液體生物燃料也有缺點(diǎn)，如擴(kuò)散性差和較低的熱值，導(dǎo)致燃燒不完全[4]。據(jù)研究人員預(yù)測，至2040年，液體生物質(zhì)燃料的市場份額將占運(yùn)輸燃料份額的20%-30%[1-2]。這表明，液體生物質(zhì)燃料具有十分可觀的前景。

生物質(zhì)燃料燃燒過程中混合氣的預(yù)混質(zhì)量對于內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能有重要影響[3，5]。為探索燃料在內(nèi)燃機(jī)燃燒過程中的燃燒特性，需要進(jìn)行數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)分析，但數(shù)值模擬所獲取的燃燒模型很難準(zhǔn)確描述燃燒過程與燃燒機(jī)理，因此必須采用實(shí)驗(yàn)的方式來獲取燃燒特性數(shù)據(jù)[4]?？紤]到內(nèi)燃機(jī)燃燒過程涉及燃燒、傳熱等復(fù)雜因素，且需控制各個(gè)參數(shù)與燃燒條件，直接在實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)上實(shí)驗(yàn)不能全面地理解火焰燃燒過程，為了迫切希望能夠搭建可視化的燃料燃燒系統(tǒng)來觀測燃料在內(nèi)燃機(jī)內(nèi)的燃燒狀況[5-6]。

為此，本文基于可視化技術(shù)設(shè)計(jì)并搭建了以定容燃燒彈為基礎(chǔ)的生物質(zhì)燃料燃燒特性測試平臺(tái)，該測試平臺(tái)具有集約化特點(diǎn)，特別是其具有燃燒過程可視化、數(shù)據(jù)采集處理一體化、點(diǎn)火控制智能化等優(yōu)點(diǎn)，優(yōu)化了生物質(zhì)燃料燃燒過程的實(shí)驗(yàn)步驟，并且能夠根據(jù)研究實(shí)際進(jìn)行改動(dòng)就可以適應(yīng)新燃料的研究。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

可視化的定容燃燒彈測試平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)如圖１所示。該系統(tǒng)主要由定容燃燒彈、紋影成像模塊、時(shí)序控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊等部分組成。這套實(shí)驗(yàn)裝置可用于拍攝大范圍工況下的預(yù)混球形膨脹火焰圖像。

1.1 定容燃燒彈

定容燃燒彈是由三個(gè)正交圓柱體的交集形成的，其體積為2.04L。在定容燃燒彈的兩側(cè)安裝了一對直徑為105毫米的石英玻璃，確保紋影拍攝系統(tǒng)能夠清晰方便地捕捉燃料燃燒過程。定容燃燒彈的每一側(cè)均勻安裝了多個(gè)加熱電阻棒，每個(gè)電阻棒的加熱功率為60瓦，并使用K型熱電偶（WRNK-234，精度為±2.5℃），進(jìn)行溫度測量，整個(gè)加熱保溫系統(tǒng)能夠?qū)⒍ㄈ萑紵龔椉訜岬剿璧膶?shí)驗(yàn)溫度，并保持恒溫狀態(tài)，為生物質(zhì)燃料的燃燒工況提供了保證。除此之外，定容燃燒彈上部安裝了使用高精度數(shù)字壓力計(jì)（KELLER LEX1）和壓電壓力傳感器（KISTLER 6115A）分別測量初始?jí)毫腿紵龎毫Α毫?shù)據(jù)的采樣頻率與示波器相同，為625，000 Hz。同步單元用于連接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、高速相機(jī)和點(diǎn)火裝置，以便同時(shí)捕捉火焰圖像和記錄壓力數(shù)據(jù)。

1.2 圖像記錄模塊

圖像記錄模塊由紋影成像系統(tǒng)與高速攝影機(jī)共同組成。該系統(tǒng)的核心在于利用紋影成像技術(shù)來捕捉透明介質(zhì)中由于密度差異引起的折射現(xiàn)象，并通過高速攝像機(jī)以極高的幀率記錄下這些快速變化的過程，從而實(shí)現(xiàn)對動(dòng)態(tài)現(xiàn)象的詳細(xì)觀察與分析。紋影成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)為兩側(cè)各有一個(gè)凹面鏡，形成匯聚光路，氙燈作為光源。通過燃燒室兩端的透明石英玻璃窗，使用紋影成像裝置和高速相機(jī)（128，000幀/秒，512×512像素）捕捉球形擴(kuò)展火焰的圖像。數(shù)字延遲發(fā)生器（DG645）連接到高速攝像機(jī)上，以確保高速攝像機(jī)在點(diǎn)火后拍攝圖像。

1.3 點(diǎn)火系統(tǒng)

混合物在充分混合5分鐘后，通過改造的中心電極點(diǎn)燃混合氣。

兩個(gè)中心電極直徑為0.4毫米，間距為1.5毫米，配合點(diǎn)火控制裝置實(shí)現(xiàn)中央點(diǎn)火（點(diǎn)火能量為10毫焦）。點(diǎn)火能量是指中心電極之間能量，可以通過公式計(jì)算，其中是電火花放電時(shí)刻施加在中心電極上的高電壓，是電火花放電時(shí)刻通過中心電極的電流，是火花持續(xù)時(shí)間。

1.4 實(shí)驗(yàn)步驟

①每次實(shí)驗(yàn)前，使用真空泵抽空CVCC內(nèi)的氣體，并引入空氣約3分鐘，以確保燃燒室內(nèi)無殘留燃料或其他氣體；②將燃燒室加熱至所需的初始溫度，使用真空泵制造一定的負(fù)壓，密封燃燒室，使用微量注射器注入一定體積的燃料，并等待3分鐘使其完全蒸發(fā)；③液體燃料完全蒸發(fā)成氣體后，以相同的初始溫度注入壓縮空氣進(jìn)入燃燒室，達(dá)到相應(yīng)的初始?jí)毫?，等待約4分鐘使燃料充分混合；④打開高速相機(jī)、示波器、壓力采集裝置，并控制點(diǎn)火系統(tǒng)點(diǎn)火。

筆者使用三次相同條件測試的平均值作為最終結(jié)果，以確保90%到95%的準(zhǔn)確性。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方案

由于可研究的生物質(zhì)燃料種類繁多，而且需要不同燃料在不同溫度、不同壓力、不同當(dāng)量比的工況下的實(shí)際燃燒情況，所以實(shí)驗(yàn)樣本量巨大。另外在研究過程中，使用高速攝影機(jī)進(jìn)行記錄燃燒過程，燃燒的燃燒特性、物性參數(shù)等都依靠實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，所以對實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理至關(guān)重要?；诖耍疚幕?Python Open CV開發(fā)了燃料燃燒過程圖像處理程序，能夠批量化地處理火焰燃燒過程中每一幀的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對燃燒特性參數(shù)的全方位研究。具體處理思路如下。

2.1 初始化和路徑設(shè)置

設(shè)置圖片文件夾路徑path和一些基本參數(shù)如開始幀數(shù)start_F和幀率FPS。列出目錄下的所有.jpg文件，并按名稱排序，然后刪除前start_F張圖片。

2.2 背景圖像處理

讀取第一張圖片作為背景圖像，將其轉(zhuǎn)換為灰度圖并進(jìn)行二值化處理。使用Open CV的輪廓檢測函數(shù)找到最大的輪廓，并計(jì)算其最小外接圓的半徑，以此來確定像素到毫米的比例，從而確定火焰半徑。

2.3 逐幀處理

對于每一幀圖像，先與背景圖像做差得到差異圖像sub_frame。對差異圖像進(jìn)行CLAHE直方圖均衡化和自適應(yīng)閾值處理，以增強(qiáng)火焰區(qū)域的對比度。然后進(jìn)行形態(tài)學(xué)膨脹操作，使火焰區(qū)域更加連貫。檢測當(dāng)前幀的輪廓，找到最大輪廓，并計(jì)算其質(zhì)心和最小外接圓的半徑。根據(jù)半徑判斷是否停止處理（當(dāng)半徑大于等于43 mm并且處理超過100幀時(shí)）。記錄每個(gè)時(shí)刻的火焰半徑（單位：毫米）。

2.4 數(shù)據(jù)可視化

將記錄的火焰半徑隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)繪制成散點(diǎn)圖。使用多項(xiàng)式擬合方法對半徑數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，并繪制平滑后的曲線。

2.5 計(jì)算速度梯度和拉伸率

計(jì)算半徑的變化率和火焰拉伸率。計(jì)算火焰面積，并繪制速度梯度與半徑變化率之間的散點(diǎn)圖。

2.6 數(shù)據(jù)保存

將所有計(jì)算結(jié)果整理成一個(gè) Data-Frame，并可以導(dǎo)出為 Excel 文件以便進(jìn)一步分析。

整個(gè)過程利用了計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)中的圖像處理和輪廓檢測方法，結(jié)合數(shù)學(xué)模型對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了有效的分析。

3 實(shí)驗(yàn)測試與結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可靠性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)臺(tái)架的穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)方案的科學(xué)性，臺(tái)架搭建完成后，基于測試平臺(tái)研究了乙酸乙酯的預(yù)混層流燃燒特性。圖2為實(shí)驗(yàn)溫度418K、實(shí)驗(yàn)壓力為1bar，當(dāng)量比Φ=1.0工況下，使用自主研發(fā)的火焰處理程序得到的火焰圖像輪廓圖與時(shí)間的對應(yīng)關(guān)系。同時(shí)獲取了不同時(shí)間段的火焰半徑，基于火焰半徑進(jìn)行數(shù)值擬合，可以得到火焰拉伸率與火焰燃燒速度之間的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)剛開始時(shí)火焰速度慢慢升高，到某個(gè)時(shí)間段達(dá)到頂點(diǎn)，然后逐步下降，這與Liang C 等人[7]發(fā)現(xiàn)的變化規(guī)律一致，故此平臺(tái)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠，可作為生物質(zhì)燃料燃燒特性的基于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

3.2 紋影圖像

圖3展示了實(shí)驗(yàn)溫度418K，壓力值1bar，當(dāng)量比Φ=0.7，1.0，1.3下乙酸乙酯-空氣火焰的紋影火焰圖像。從圖中可以看出，當(dāng)達(dá)到相同火焰直徑時(shí)，在當(dāng)量比Φ=1附近的混合氣所需時(shí)間更短，同時(shí)隨著火焰的發(fā)展，當(dāng)量比Φ=1的混合氣也是燃燒的最快的。隨著當(dāng)量比的增大，即混合氣變濃時(shí)，發(fā)現(xiàn)在19.84ms附近，火焰前沿開始出現(xiàn)胞狀結(jié)構(gòu)，這表明火焰變得不穩(wěn)定。這種現(xiàn)象在濃混合物中更為顯著。

圖4展示了實(shí)驗(yàn)溫度418K，當(dāng)量比Φ=1.0，壓力值分別為1bar，2bar和3bar工況下乙酸乙酯-空氣火焰的紋影火焰圖像。從圖中可以看出，隨著初始?jí)毫Φ脑龃?，圖像輪廓變得模糊，這是因?yàn)樵趬毫Φ淖饔孟?，火焰表面容易產(chǎn)生裂紋，而且隨著裂紋的擴(kuò)散會(huì)導(dǎo)致火焰表面變得褶皺或者細(xì)胞化，這將影像火焰的傳播速度。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)火焰半徑達(dá)到R=10mm時(shí)，隨著初始?jí)毫χ档脑龃?，所需的時(shí)間越多，壓力達(dá)到3bar時(shí)，所需時(shí)間為14.3ms，但是與初始?jí)毫χ?bar時(shí)所需的時(shí)間僅僅相差1ms。但是隨著火焰的擴(kuò)散，我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)火焰半徑達(dá)到40mm時(shí)，兩者的時(shí)間差擴(kuò)大到4ms，這也從側(cè)面表明壓力值增大，會(huì)導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兟?/p>

4 結(jié)語

本文基于可視化技術(shù)設(shè)計(jì)并搭建了以定容燃燒彈為基礎(chǔ)的生物質(zhì)燃料燃燒特性測試平臺(tái)，并通過實(shí)驗(yàn)對系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證分析。針對實(shí)驗(yàn)圖像的批量化處理進(jìn)行了研究，提出了基于Open CV的生物質(zhì)燃料燃燒過程特性參數(shù)的處理方案。通過乙酸丙酯燃料的燃燒過程對平臺(tái)的可行性和有效性進(jìn)行了研究，研究表明，當(dāng)溫度418K，壓力值1bar，混合氣的當(dāng)量比Φ=1.0時(shí)，火焰燃燒速度最快；而且隨著壓力的增大，燃燒速度是逐漸降低的。

基金項(xiàng)目：2024年浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)計(jì)劃（新苗人才計(jì)劃）一套用于燃料燃燒特性研究的可視化系統(tǒng)（2024R445A002）；2023年度浙江省高等學(xué)校訪問工程師校企合作項(xiàng)目“課程思政視域下汽車專業(yè)人才培養(yǎng)模式研究與探索”（FG2023006）；浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院校級(jí)項(xiàng)目“基于可視化技術(shù)的2-乙?；秽A(yù)混火焰燃燒特性研究”；2024年浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)計(jì)劃（新苗人才計(jì)劃）多時(shí)空多要素感知智慧交通盒（2024R445A005）。

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