瞬態火焰圖像處理系統開發及其在實驗教學中的應用

楊 曉， 劉建浩， 唐華兵， 婁 春， 程 強

(華中科技大學 能源與動力工程學院 煤燃燒國家重點實驗室，武漢 430074)

瞬態火焰圖像處理系統開發及其在實驗教學中的應用

楊 曉， 劉建浩， 唐華兵， 婁 春， 程 強

(華中科技大學 能源與動力工程學院 煤燃燒國家重點實驗室，武漢 430074)

熱能動力工程裝置中涉及瞬態火焰圖像的檢測與處理，如內燃機燃燒室中火焰溫度的檢測以及燃燒火焰脈動特性的檢測?；陔p色測溫理論及傅里葉變換原理開發了一套瞬態火焰圖像處理系統，結合高速攝像儀獲得的瞬態燃燒火焰圖像，能夠計算瞬態火焰圖像的溫度分布、燃燒脈動的幅頻特性。該系統已用于瞬態火焰圖像檢測處理的實驗教學中，檢測了定容彈燃用柴油的溫度分布以及層流擴散乙烯火焰的脈動特性。

熱能動力工程裝置； 瞬態燃燒火焰； 圖像處理； 實驗教學

0 引 言

熱能動力工程裝置中涉及瞬態火焰圖像的檢測與處理，例如：內燃機燃燒室中的火焰是典型的隨時間變化的瞬態火焰，對這些瞬態火焰的圖像進行檢測并分析得到火焰溫度，有助于降低燃燒污染物的排放[1]。擴散火焰廣泛存在于鍋爐、窯爐等工業燃燒裝置中，對擴散火焰的瞬態燃燒火焰圖像進行檢測，將時域的火焰圖像信號轉換為頻域信號，可以得到擴散火焰脈動的特征頻率。擴散火焰脈動頻率被用來表征擴散火焰的可靠性[2]，脈動頻率可以作為燃燒診斷和優化燃燒的參考[3-5]，脈動燃燒有助于提高工業燃燒裝置運行的穩定性[6]。在熱能工程專業教學中開展對瞬態火焰圖像檢測處理的實驗教學，有助于學生更好地掌握相關的專業知識及技能技巧[7-8]?，F有的燃燒實驗教學及研究中，可以使用高速攝像儀直接獲得燃燒裝置中的瞬態火焰圖像，但還缺乏對瞬態火焰圖像進行后處理的專業工具，因此，有必要開發一套能對瞬態火焰圖像進行處理的系統，以得到瞬態燃燒火焰的溫度、特征頻率等信息。本文基于雙色測溫理論[9]及傅里葉變換原理開發了一套瞬態火焰圖像處理系統，結合高速攝像儀獲得的瞬態燃燒火焰圖像，能夠計算瞬態火焰圖像的溫度分布、燃燒脈動的幅頻特性，并用于瞬態火焰圖像檢測處理的實驗教學中。

1 瞬態燃燒火焰圖像處理系統開發

瞬態火焰圖像檢測處理的教學實驗系統如圖1所示，由被測火焰對象、高速成像硬件系統和火焰圖像后處理軟件三部分組成。高速成像硬件系統主要有高速攝像儀與計算機，火焰圖像后處理軟件則是結合火焰圖像處理技術[10]及計算機編程開發出的瞬態燃燒火焰圖像處理系統。教學實驗系統針對的是瞬態燃燒過程的檢測分析，用高速攝像儀完成對瞬態火焰圖像的捕捉，并將火焰圖像數據保存在計算機中；瞬態燃燒火焰圖像處理系統讀取計算機中存儲的火焰圖像數據，進行處理和計算得到瞬態燃燒過程特性，包括火焰溫度分布及燃燒脈動的幅頻特性。運用的基本原理包括：根據雙色法測溫原理計算火焰溫度，根據傅里葉變換原理計算火焰脈動的幅頻特性。然后，在軟件的界面上顯示數據處理結果，同時將結果存儲在計算機硬盤上。

圖1 瞬態火焰圖像檢測處理的教學實驗系統

瞬態燃燒火焰圖像處理系統基于雙色法測溫原理得到火焰溫度分布，高速攝像儀捕捉到紅(R)、綠(G)、藍(B)三基色的彩色熱輻射圖像，利用黑體爐對高速成像系統進行標定[11]后，可以建立攝像機拍攝的彩色熱輻射圖像中每一像素的R、G、B值與紅、綠、藍三基色波長下單色輻射強度Iλr、Iλg、Iλb的關系為：

(1)

式中:a0,a1,…,an，b0,b1,…,bn，c0,c1,…,cn分別為標定系數，與彩色CCD圖像探測器有關；Iλr,Iλg,Iλb分別為波長下λr,λg,λb的單色輻射強度，可通過Wein輻射定律計算，

(2)

根據雙色法(如：R和G)測溫原理，可以得到火焰圖像中任意一點像素的溫度：

(3)

根據上述原理及公式，操作所開發的瞬態燃燒火焰圖像處理系統讀取火焰圖像后，就能對火焰圖像數據進行分析，計算得到火焰圖像的溫度分布并保存計算的結果。在系統的界面中顯示火焰溫度分布，平均溫度值隨時間的變化，火焰飽和度的判斷，以及顯示鼠標在火焰圖像上任一指定點的溫度值與RGB值。

2 瞬態燃燒火焰圖像處理系統在實驗教學中的應用

2.1 火焰溫度的檢測

在開展定容彈噴霧燃燒火焰溫度檢測的實驗教學中，定容彈內柴油噴霧燃燒是高溫高壓的瞬態過程。由于定容彈的空間是密封的，現有的接觸式熱電偶測溫技術由于響應速度慢，無法實現這種瞬態情況下的溫度測量。運用本文開發的瞬態火焰圖像處理系統結合高速攝像儀，能夠完成定容彈內柴油噴霧燃燒火焰溫度的檢測。實驗過程中，首先調節好高速攝像儀的拍攝參數，連接高速攝像儀與定容彈電控噴油系統，采用同步控制裝置同時觸發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，整個過程持續時間約為5 ms，選取部分定容彈內柴油噴霧燃燒實驗過程的火焰圖像如圖2所示。

圖2 定容彈噴霧燃燒實驗中的火焰圖像(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，操作瞬態火焰圖像處理系統對火焰圖像進行處分析，得到定容彈燃油噴霧燃燒過程溫度分布，如圖3所示。

圖3 瞬態火焰圖像處理系統檢測火焰溫度的界面

通過瞬態火焰圖像處理系統對圖2中的火焰圖像計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的實驗教學中，瞬態火焰圖像處理系統對火焰圖像處理進行處理的過程中，保存整個過程的每一幅火焰圖像對應的溫度分布、平均溫度、最高溫度、溫度范圍統計分布，還可以通過軟件系統查看處理任一幅火焰圖像，即能夠計算得到整個燃油噴霧燃燒過程溫度場的變化，也能得到某一瞬間火焰溫度分布的信息。

2.2 火焰脈動特性的檢測

運用瞬態火焰圖像處理系統開展層流擴散火焰脈動特性檢測分析的實驗教學中，高速攝像儀對應的拍攝速度即為圖像的采樣頻率，實驗過程中控制高速攝像儀的拍攝速度為1 000 f/s,調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驗室層流擴散火焰的圖像。實驗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定后，控制高速攝像儀拍攝層流擴散乙烯火焰得到火焰圖像數據，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散火焰圖像數據后，使用瞬態火焰圖像處理系統讀取火焰圖像，并進行處理分析得到的層流擴散火焰的脈動特性，高速攝像機的拍攝速度為1 000 f/s，選取了部分連續火焰圖像數據，經過瞬態火焰圖像處理系統分析得到的結果如圖6所示。從分析結果可以看出燃燒火焰脈動的主要頻率[15]、脈動的頻率分布及對應的幅值。通過圖6所示的處理結果可以得到實驗中的層流擴散乙烯火焰脈動的頻率范圍分布在1～30 Hz，其特征頻率為14 Hz。

圖6 瞬態火焰圖像處理系統檢測層流擴散火焰脈動特性的界面

改變實驗工況，可以通過本系統快速地計算出不同工況下層流擴散火焰脈動的幅頻特性，從而實現對燃燒火焰穩定性的分析。

3 結 語

實驗教學是熱能動力工程專業教學中的重要環節，本文中開發的瞬態火焰圖像處理系統能用于燃燒實驗教學的火焰溫度及特征頻率檢測。通過理論與實踐的結合進一步激發學生的學習興趣，有助于熱能動力工程專業的本科生及研究生更好的掌握燃燒測試理論及技術。

[1] 黃佐華.內燃機節能與潔凈利用開發與研究的現狀與前沿[J]. 汽車安全與節能學報，2010(2): 89-97.

[2] Broadbent J. Fundamental flame flicker monitoring for power plant boilers[J]. IEE Seminar Digests，2000， 4(1): 4-5.

[3] 安志偉, 袁宏永, 屈玉貴. 數據采集在火焰閃爍頻率的測量研究及分析中的應用[J]. 火災科學, 2000, 9(2): 43-47.

[4] 李保國, 曹崇文, 劉相東. 脈動燃燒技術及其應用[J]. 中國農業大學學報， 1998， 3(2): 36-40.

[5] 朱福祥, 秦 江. 脈動燃燒加熱爐運行穩定性分析[J]. 節能技術，2004，22(4): 8-10.

[6] 程顯辰. 脈動燃燒[M].北京:中國鐵道出版社,1994.

[7] 方紅峰.實驗教學在新課程中地位和作用的再認識[J].中國教育技術裝備,2006(10):3-7.

[8] 羅正祥. 提高實驗教學地位培養學生創新能力[J]. 實驗室研究與探索，2006， 25(6)：589-591.

[9] 婁 春. 工程燃燒診斷學[M]. 北京: 中國電力出版社, 2016: 106-121.

[10] 馬增益，李月寧. 應用圖像處理技術進行預混層流火焰傳播速度的在線測量[J]. 燃燒科學與技術，2004，10(6): 526-528.

[11] 姜志偉，周懷春.基于圖像處理的火焰溫度及輻射率圖像檢測法[J]. 華中科技大學學報(自然科學版)，2004，32(9): 49-51.

[12] 楊麗娟，張白禪.快速傅里葉變換FFT及其應用[J].光電工程，2005，31(B12): 1-3.

[13] 舒紅平，蔣建民.基于灰度最優閾值的圖像分割方法及應用[J]. 重慶工商大學學報(自然科學版)，2003，20(4): 80-83.

[14] 陰躲芬,李一民.圖像閥值分割的研究[J].科技廣場，2008，9(2)：136-137.

[15] 田艷飛，孫 磊.乙烯擴散火焰脈動特性的實驗研究[J].工程熱物理學報(自然科學版)，2015，36(7): 1591-1595.

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

科技部科技伙伴計劃項目(KY201401003)

楊 曉(1990-),男,湖北黃岡人,碩士生,主要從事燃燒測試的研究。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