基于RGB顏色模型的玉米淀粉爆燃火焰?zhèn)鞑ニ俣?

張洪銘,陳先鋒,張 英,牛 奕,代華明,黃楚原

(武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

粉塵爆炸事故的預(yù)防和控制是當前中國工業(yè)安全生產(chǎn)過程中亟待解決的重要課題。近年來，隨著工業(yè)生產(chǎn)需求的增大，中國粉塵涉爆企業(yè)數(shù)量和生產(chǎn)規(guī)模都不斷增加，重特大粉塵爆炸事故頻繁發(fā)生，嚴重威脅著人們的生命財產(chǎn)安全和工業(yè)生產(chǎn)安全。因此，針對粉塵爆炸發(fā)生機理和災(zāi)害預(yù)防控制措施的研究已成為越來越多科研工作者的科研目標[1-3]。粉塵爆炸的災(zāi)害表現(xiàn)形式為火焰在受限空間內(nèi)以極高速度傳播的過程，因此，火焰?zhèn)鞑ニ俣仁茄芯糠蹓m爆炸發(fā)生機理的重要參數(shù)。丁以斌等[4]采用高速紋影技術(shù)研究了鋯粉塵云在管道內(nèi)的火焰?zhèn)鞑ミ^程，得到了火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c粉塵云質(zhì)量濃度間的關(guān)系。王健等[5]對管道相連容器中粉塵爆炸過程進行了實驗研究并對其進行了數(shù)值分析，建立了粉塵燃燒模型，揭示了泄爆裝置內(nèi)火焰加速傳播行為與粉塵爆炸的關(guān)系。Gao等[6-7]實驗研究了有機醇類粉塵的爆炸機理，總結(jié)了粉塵粒子特性與火焰?zhèn)鞑ニ俣戎g的關(guān)系。火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊臏y量方法同樣得到了廣泛的研究[8-10]。余明高等[11]采用Matlab軟件對不同瓦斯體積分數(shù)的爆炸火焰圖像進行識別處理，得到火焰鋒面位置并計算了火焰?zhèn)鞑ニ俣取ie等[12]利用圖像相關(guān)系數(shù)法，對瓦斯爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣冗M行了計算，分析了瓦斯爆炸過程的速度變化規(guī)律。Han等[13]利用粒子圖像測速技術(shù)對甲烷空氣預(yù)混爆炸過程進行測量，建立了火焰?zhèn)鞑サ乃俣葓觥Ｄ壳搬槍鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣鹊臏y量和計算的研究主要為甲烷等可燃性氣體的火焰?zhèn)鞑ミ^程，對于粉塵爆燃火焰?zhèn)鞑サ挠嬎愫蜏y量研究還鮮有報道。本文中，將利用高速攝像系統(tǒng)對玉米淀粉云爆燃火焰?zhèn)鞑ミ^程進行圖像采集，建立基于RGB顏色模型的玉米淀粉爆燃火焰識別數(shù)學(xué)模型，并利用該數(shù)學(xué)模型對玉米淀粉爆燃火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兓?guī)律進行研究，以期為分析粉塵爆炸致災(zāi)機理提供實驗參考。

1 實 驗

1.1 實驗系統(tǒng)

粉塵云爆燃火焰?zhèn)鞑嶒炂脚_由開口垂直實驗管道、供氣與噴粉裝置、高壓點火裝置、高速攝像系統(tǒng)和同步控制器等5部分組成。燃燒管道是一個上端開口、下端封閉的垂直方形管道，內(nèi)部尺寸為500 mm×80 mm×80 mm。為了保證管道的承壓強度，管道結(jié)構(gòu)由不銹鋼體焊接而成，同時，在管道的兩側(cè)安裝兩塊光學(xué)玻璃，以便于觀察火焰的傳播過程。在管道底部中央安裝有一個錐形分散帽和一個稱樣皿。實驗時將稱量好的粉塵放置于稱樣皿中，壓縮空氣流從分散帽中反射入稱樣皿，氣流卷揚起粉塵在管道中形成粉塵云。為了確保粉塵云在管道內(nèi)分散狀態(tài)的一致性，減少初始流動速度對火焰?zhèn)鞑ミ^程引起的誤差，每組實驗的噴粉壓力和點火延時等參數(shù)保持一致。管道下部安裝有一對直徑約0.4 mm的點火電極，高壓點火裝置對點火電極放電，產(chǎn)生電火花，從而點燃粉塵云。實驗中通過高速攝像機和尼康90 mm微距鏡頭組成的光學(xué)系統(tǒng)拍攝并記錄粉塵火焰?zhèn)鞑ミ^程。同步控制器將供氣噴粉系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、高速攝像機連接在一起，進行時序控制和開關(guān)控制。各實驗裝置的參數(shù)具體設(shè)置如下：噴粉氣流壓力，0.2 MPa；噴粉氣流時間，0.2 s;點火延時,0.1 s;點火電壓,15 kV;拍攝速度,1 000 frames/s。實驗系統(tǒng)組成如圖1所示。

1.2 實驗材料與實驗過程

選用純凈的玉米淀粉作為粉塵實驗樣品。由于粉塵的粒徑分布會對火焰的傳播特性和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，因此，實驗前先將粉塵樣品通過200目的分析篩進行篩分，得到平均粒徑為65 μm的粉塵。為了避免空氣中水分對玉米淀粉的影響，實驗前先將樣品粉塵均放于真空干燥箱中，50 ℃恒溫干燥12 h以上。對玉米淀粉樣品進行工業(yè)分析和元素分析，其結(jié)果為面粉中固定碳、揮發(fā)分、灰分的質(zhì)量分數(shù)分別為13.6%、85.6%、0.8%；C、H、O、N、S的質(zhì)量分數(shù)分別為39.27%、6.56%、53.03%、0.04%、0.00%。為了確定燃燒實驗管道中粉塵云的濃度，實驗之前采用插板法對管道內(nèi)粉塵云濃度進行測量[4]，得到的噴粉質(zhì)量與管道內(nèi)粉塵云質(zhì)量濃度的關(guān)系，如圖2所示。

2 火焰?zhèn)鞑ニ俣扔嬎阍?/h2>

2.1 基于RGB顏色模型的火焰重構(gòu)

RGB顏色模型是利用圖像中紅(R)、綠(G)、藍(B)3種顏色在計算機中不同的量化方式對顏色進行表征的一種數(shù)學(xué)模型。圖3所示的是管道內(nèi)玉米淀粉爆燃火焰區(qū)域R、G、B單通道分量圖像，圖3(a)為原始彩色圖像，圖3(b)、圖3(c)、圖3(d)分別為R、G、B單通道顏色分量圖。從圖中可以看出，玉米淀粉爆燃火焰像素具有如下特點：R通道強度值大于G通道，G通道強度值大于B通道。同時由計算可知，樣本圖像火焰區(qū)域像素點的R、G、B平均值同樣遵循這一規(guī)律，且火焰區(qū)域紅色分量的值大于圖片其他區(qū)域的平均值，因此對于一個粉塵火焰像素，需符合以下條件[14]：

(1)

式中:R(x,y)、G(x,y)、B(x,y)分別為像素點(x,y)的R、G、B通道的值，K為圖像中像素總和，Rmean為圖片中所有像素紅色分量的平均值。

環(huán)境照明、相機設(shè)備、拍攝條件等環(huán)境因素的變化會產(chǎn)生一定程度的判讀誤差，影響上述RGB顏色模型對火焰識別的準確性。因此，為了消除環(huán)境因素帶來的影響，對公式(1)進行歸一化轉(zhuǎn)換建立標準rgb模型，從而減少判讀誤差提高火焰識別的準確性，其變換公式[14]為：

r=R/(R+G+B)，g=G/(R+G+B)，b=B/(R+G+B)

(2)

為了更精確地判斷火焰像素點的r、g、b取值范圍，需要對大量玉米淀粉爆燃火焰圖片的像素點進行讀取和判斷，因此對不同工況條件下的玉米淀粉爆燃火焰圖片進行大量的訓(xùn)練，得到玉米淀粉爆燃火焰像素點的取值范圍，如圖4所示。通過計算r-g、r-b和g-b等3個平面火焰像素范圍，即可得到RGB顏色模型火焰重構(gòu)的邊界條件分別為：

r≥0.974g+0.007，r≤-1.764b+0.792，g≥1.050b+0.117

r≤-0.983g+0.976，r≤0.164b+0.526，g≤-0.620b+0.503

r≥-1.934g+1.111，r≥-0.640b+0.532，g≤19.333b+0.004

(3)

2.2 圖像處理

為了準確獲取火焰鋒面位置，需要對重構(gòu)火焰進行圖像處理，處理過程如圖6所示。圖6(a)為火焰原始圖像，首先利用RGB顏色模型對火焰原始圖片進行重構(gòu)，并對識別出的火焰區(qū)域進行二值化處理，使之能夠清晰地表征粉塵爆燃火焰圖像的幾何輪廓特征，提高火焰?zhèn)鞑ニ俣扔嬎愕木_度，如圖6(b)所示。圖像二值化處理方法為：

(4)

式中:f為多級灰度圖像,(x,y)為像素點空間位置,T為滿足式(1)～(3)的像素點閾值。

然而由圖6(b)可知，經(jīng)過顏色特征提取及二值化運算后的火焰區(qū)域并不是精確火焰區(qū)域，火焰鋒面邊緣及火焰內(nèi)部還存在未檢測出的火焰像素點，需對圖像進行火焰形態(tài)學(xué)重建，獲得準確的粉塵火焰重構(gòu)圖像。火焰形態(tài)學(xué)重建的方式為對火焰圖像進行先膨脹運算后腐蝕運算，即閉運算處理，其運算公式如下[14]。

(1)膨脹運算，F(xiàn)T⊕S={fT|S+fT∪fT≠0}；

(2)腐蝕運算，F(xiàn)TΘS={fT|S+fT?FT}；

(3)閉運算，F(xiàn)T·S=(FT⊕S)ΘS。

式中：FT為目標圖像，S為計算結(jié)構(gòu)元素。

通過此方法可以得到火焰的精確圖像，如圖6(c)所示。對實驗得到的火焰?zhèn)鞑バ蛄袌D像進行逐幀處理即可得到玉米淀粉爆燃火焰在管道內(nèi)傳播的形狀變化過程以及火焰前鋒邊緣位置。

2.3 火焰?zhèn)鞑ニ俣扔嬎?/h3>

圖7為圖像處理后的t1、t2時刻管道內(nèi)火焰?zhèn)鞑D像，橫坐標為管道的寬度像素值W，縱坐標為火焰鋒面位置(即火焰?zhèn)鞑シ较?像素值N。利用MATLAB軟件對火焰圖像進行逐幀處理，可以得到每個時刻火焰鋒面位置的像素值。像素值與火焰鋒面真實值之間存在一個轉(zhuǎn)換系數(shù)k,其值的確定取決于管道真實長度與圖像的分辨率之間的關(guān)系，即：

k=a/b

(5)

式中：a為管道長度，b為管道圖片像素。

因此，火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠嬎愎綖椋?/p>

v=|N2-N1|k/(t2-t1)

(6)

式中：N1為t1時刻火焰鋒面位置的像素值，N2為t2時刻火焰鋒面位置的像素值。

3 計算結(jié)果與分析

利用上述火焰速度計算方法分別對粉塵云質(zhì)量濃度為0.36、0.50、0.63和0.82 kg/m3的玉米淀粉爆燃火焰在管道內(nèi)的傳播速度進行測量，測量結(jié)果如圖8所示。圖8中顯示的是利用RGB顏色模型檢測得到的火焰鋒面位置以及經(jīng)過計算后的火焰?zhèn)鞑ニ俣惹€。

由圖中可知，火焰鋒面位置曲線為一個平滑的二次曲線，火焰鋒面隨時間加速向管道頂部傳播，火焰?zhèn)鞑ニ俣入S時間增加而持續(xù)增大，火焰速度峰值出現(xiàn)在火焰離開管道的時刻。

由圖8(a)可知，管道內(nèi)粉塵云質(zhì)量濃度為0.36 kg/m3時，在火焰?zhèn)鞑サ某跏茧A段，即0～100 ms時，火焰?zhèn)鞑ニ俣缺憩F(xiàn)為一個勻速傳播的過程，這一階段的火焰?zhèn)鞑テ骄俣葹?.94 m/s；當火焰?zhèn)鞑サ?00 ms后，管道內(nèi)火焰開始持續(xù)加速傳播，直至火焰沖出管道。由圖8(b)和(c)可知，當管道內(nèi)粉塵云質(zhì)量濃度為0.50和0.63 kg/m3時，管道內(nèi)粉塵爆燃火焰表現(xiàn)為持續(xù)加速傳播過程，該質(zhì)量濃度范圍內(nèi)未出現(xiàn)火焰勻速傳播過程。由圖8(d)可知，當管道內(nèi)粉塵云質(zhì)量濃度為0.82 kg/m3時，火焰?zhèn)鞑コ跏茧A段火焰加速度顯著降低，當火焰?zhèn)鞑サ?30 ms時，火焰加速度開始增大，火焰在管道內(nèi)加速傳播。

管道內(nèi)粉塵爆燃火焰出現(xiàn)勻速傳播現(xiàn)象的原因為，在低粉塵云濃度下，已燃的玉米淀粉粒子在點火傳播初始階段受到周圍粒子揮發(fā)分析出吸熱作用以及管道內(nèi)壁限制作用和冷卻作用的影響，燃燒釋放的熱量累積較少，粉塵粒子著火時間較長，引起火焰鋒面由已燃區(qū)向未燃區(qū)傳播過程緩慢，出現(xiàn)一段時間的勻速傳播過程。火焰加速傳播過程的出現(xiàn)是由于管道內(nèi)粉塵云燃燒放熱與燃燒速度之間的正反饋作用，引起粉塵爆燃火焰的加速傳播，此過程為粉塵燃燒向爆炸過程轉(zhuǎn)變的重要初始階段。

圖9顯示的是4種粉塵云質(zhì)量濃度ρ對應(yīng)的最大火焰?zhèn)鞑ニ俣纫约暗竭_峰值速度的時間。通過對比不同粉塵云質(zhì)量濃度下的最大火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤梢钥闯觯畲蠡鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣仁艿椒蹓m云質(zhì)量濃度的影響較大，粉塵云質(zhì)量濃度為0.63 kg/m3時其最大火焰?zhèn)鞑ニ俣茸畲鬄?.03 m/s。通過分析速度峰值出現(xiàn)所需的時間可以看出：粉塵云質(zhì)量濃度的增大可使峰值速度出現(xiàn)所需的時間縮短，粉塵云質(zhì)量濃度為0.63 kg/m3時峰值速度出現(xiàn)所需的時間最短；隨后，隨著粉塵云質(zhì)量濃度的增大，峰值速度出現(xiàn)所需的時間增長。表明當粉塵云質(zhì)量濃度為0.63 kg/m3時，管道內(nèi)玉米淀粉云爆燃火焰加速傳播特性優(yōu)于其他3種質(zhì)量濃度的粉塵云，對火焰不穩(wěn)定傳播過程影響最小，這一現(xiàn)象與圖8中的計算結(jié)果相符合。

為了確定速度測量方法的準確性，運用陶可通等[1]的粉塵火焰速度測量方法對玉米淀粉云管道內(nèi)火焰?zhèn)鞑ミM行火焰?zhèn)鞑テ骄俣葀測量，并與采用本文方法得到的火焰?zhèn)鞑テ骄俣冗M行對比，結(jié)果如表1所示。兩種方法的最大相對誤差僅為4.52%且最小相對誤差為0.48%，兩者吻合較好，這證明本文計算方法可靠性較高。

表1 不同粉塵云質(zhì)量濃度下兩種方法得到的火焰?zhèn)鞑テ骄俣鹊膶Ρ萒able 1 Comparison of mean flame propagtion velocitiesat different dust mass concentrationsby two measurement methods

4 結(jié) 論

用高速攝影系統(tǒng)拍攝玉米淀粉爆燃火焰在豎直管道中的火焰?zhèn)鞑ミ^程，建立基于RGB顏色模型的火焰鋒面識別方法，對管道內(nèi)粉塵云爆燃火焰?zhèn)鞑ニ俣冗M行測量分析，得到粉塵云質(zhì)量濃度與火焰?zhèn)鞑ニ俣戎g的關(guān)系，主要結(jié)論有：(1)運用RGB 顏色模型對玉米淀粉爆燃火焰進行識別重構(gòu)及形態(tài)學(xué)重建，可以確定火焰在管道內(nèi)傳播的鋒面位置，得到玉米淀粉爆燃火焰的傳播速度。(2)玉米淀粉爆燃火焰像素范圍的確定是火焰?zhèn)鞑ニ俣扔嬎愕年P(guān)鍵，通過判斷圖片像素是否在火焰像素范圍內(nèi)，實現(xiàn)火焰鋒面位置與實際火焰區(qū)域邊界相吻合。(3)火焰在管道內(nèi)傳播的速度特征表現(xiàn)為加速傳播過程，然而當粉塵云質(zhì)量濃度較低時，火焰?zhèn)鞑コ跗跁霈F(xiàn)短暫的勻速傳播現(xiàn)象。(4)玉米淀粉云質(zhì)量濃度在0.36～0.82 kg/m3范圍內(nèi)時，隨質(zhì)量濃度的增大，最大火焰?zhèn)鞑ニ俣认壬吆蠼档停竭_速度峰值所需的時間先縮短后增長。在0.63 kg/m3質(zhì)量濃度時，玉米淀粉云最大火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤蛇_7.03 m/s。

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