基于可視化技術的生物質燃料燃燒特性研究裝置開發

摘 要：生物質燃料是一類最有前景的化石燃料替代物，因為他們具有低排放、可持續及“零碳足跡”的優點。為了對生物質燃料的燃燒特性進行一系列的研究，本文基于可視化技術設計并搭建了以定容燃燒彈為基礎的生物質燃料燃燒特性測試平臺。針對實驗獲取圖像樣本量大、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行實驗，對平臺的可行性和有效性進行了驗證。結果表明：該平臺結構合理，可操作性強，能夠適用不同壓力、不同溫度、不同當量比工況下的氣體、液體等生物質燃料的燃燒特性研究。

關鍵詞：可視化技術 生物質燃料 燃燒特性

為了響應全球零碳排放的號召，我國提出了“2030碳達峰2060碳中和”的宏偉愿景。其中交通運輸行業實現碳中和的一條可行路徑是推動具有“零碳足跡”的化石燃料替代物的發展，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]。生物液體生物質燃料是一類最有前景的化石燃料替代物，因為它們具有低有害物質排放、可持續使用以及“零碳足跡”等優點[2]。作為化石燃料的潛在替代品，液體生物燃料被廣泛認為是一種有前景的新能源，因為它們可以增強能源安全、保護環境，并有助于實現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，如擴散性差和較低的熱值，導致燃燒不完全[4]。據研究人員預測，至2040年，液體生物質燃料的市場份額將占運輸燃料份額的20%-30%[1-2]。這表明，液體生物質燃料具有十分可觀的前景。

生物質燃料燃燒過程中混合氣的預混質量對于內燃機的動力性、經濟性和排放性能有重要影響[3，5]。為探索燃料在內燃機燃燒過程中的燃燒特性，需要進行數值模擬與實驗分析，但數值模擬所獲取的燃燒模型很難準確描述燃燒過程與燃燒機理，因此必須采用實驗的方式來獲取燃燒特性數據[4]。考慮到內燃機燃燒過程涉及燃燒、傳熱等復雜因素，且需控制各個參數與燃燒條件，直接在實際發動機上實驗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來觀測燃料在內燃機內的燃燒狀況[5-6]。

為此，本文基于可視化技術設計并搭建了以定容燃燒彈為基礎的生物質燃料燃燒特性測試平臺，該測試平臺具有集約化特點，特別是其具有燃燒過程可視化、數據采集處理一體化、點火控制智能化等優點，優化了生物質燃料燃燒過程的實驗步驟，并且能夠根據研究實際進行改動就可以適應新燃料的研究。

1 系統方案設計

可視化的定容燃燒彈測試平臺的總體設計如圖１所示。該系統主要由定容燃燒彈、紋影成像模塊、時序控制模塊、數據采集模塊等部分組成。這套實驗裝置可用于拍攝大范圍工況下的預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安裝了一對直徑為105毫米的石英玻璃，確保紋影拍攝系統能夠清晰方便地捕捉燃料燃燒過程。定容燃燒彈的每一側均勻安裝了多個加熱電阻棒，每個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℃），進行溫度測量，整個加熱保溫系統能夠將定容燃燒彈加熱到所需的實驗溫度，并保持恒溫狀態，為生物質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字壓力計（KELLER LEX1）和壓電壓力傳感器（KISTLER 6115A）分別測量初始壓力和燃燒壓力。壓力數據的采樣頻率與示波器相同，為625，000 Hz。同步單元用于連接數據采集系統、高速相機和點火裝置，以便同時捕捉火焰圖像和記錄壓力數據。

1.2 圖像記錄模塊

圖像記錄模塊由紋影成像系統與高速攝影機共同組成。該系統的核心在于利用紋影成像技術來捕捉透明介質中由于密度差異引起的折射現象，并通過高速攝像機以極高的幀率記錄下這些快速變化的過程，從而實現對動態現象的詳細觀察與分析。紋影成像系統設計為兩側各有一個凹面鏡，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（128，000幀/秒，512×512像素）捕捉球形擴展火焰的圖像。數字延遲發生器（DG645）連接到高速攝像機上，以確保高速攝像機在點火后拍攝圖像。

1.3 點火系統

混合物在充分混合5分鐘后，通過改造的中心電極點燃混合氣。

兩個中心電極直徑為0.4毫米，間距為1.5毫米，配合點火控制裝置實現中央點火（點火能量為10毫焦）。點火能量是指中心電極之間能量，可以通過公式計算，其中是電火花放電時刻施加在中心電極上的高電壓，是電火花放電時刻通過中心電極的電流，是火花持續時間。

1.4 實驗步驟

①每次實驗前，使用真空泵抽空CVCC內的氣體，并引入空氣約3分鐘，以確保燃燒室內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；③液體燃料完全蒸發成氣體后，以相同的初始溫度注入壓縮空氣進入燃燒室，達到相應的初始壓力，等待約4分鐘使燃料充分混合；④打開高速相機、示波器、壓力采集裝置，并控制點火系統點火。

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

2 實驗數據處理方案

由于可研究的生物質燃料種類繁多，而且需要不同燃料在不同溫度、不同壓力、不同當量比的工況下的實際燃燒情況，所以實驗樣本量巨大。另外在研究過程中，使用高速攝影機進行記錄燃燒過程，燃燒的燃燒特性、物性參數等都依靠實驗數據進行計算，所以對實驗的數據處理至關重要。基于此，本文基于 Python Open CV開發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據，實現對燃燒特性參數的全方位研究。具體處理思路如下。

2.1 初始化和路徑設置

設置圖片文件夾路徑path和一些基本參數如開始幀數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，將其轉換為灰度圖并進行二值化處理。使用Open CV的輪廓檢測函數找到最大的輪廓，并計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。對差異圖像進行CLAHE直方圖均衡化和自適應閾值處理，以增強火焰區域的對比度。然后進行形態學膨脹操作，使火焰區域更加連貫。檢測當前幀的輪廓，找到最大輪廓，并計算其質心和最小外接圓的半徑。根據半徑判斷是否停止處理（當半徑大于等于43 mm并且處理超過100幀時）。記錄每個時刻的火焰半徑（單位：毫米）。

2.4 數據可視化

將記錄的火焰半徑隨時間變化的數據繪制成散點圖。使用多項式擬合方法對半徑數據進行平滑處理，并繪制平滑后的曲線。

2.5 計算速度梯度和拉伸率

計算半徑的變化率和火焰拉伸率。計算火焰面積，并繪制速度梯度與半徑變化率之間的散點圖。

2.6 數據保存

將所有計算結果整理成一個 Data-Frame，并可以導出為 Excel 文件以便進一步分析。

整個過程利用了計算機視覺技術中的圖像處理和輪廓檢測方法，結合數學模型對實驗數據進行了有效的分析。

3 實驗測試與結果分析

3.1 實驗平臺可靠性驗證

為了驗證實驗臺架的穩定性，實驗方案的科學性，臺架搭建完成后，基于測試平臺研究了乙酸乙酯的預混層流燃燒特性。圖2為實驗溫度418K、實驗壓力為1bar，當量比Φ=1.0工況下，使用自主研發的火焰處理程序得到的火焰圖像輪廓圖與時間的對應關系。同時獲取了不同時間段的火焰半徑，基于火焰半徑進行數值擬合，可以得到火焰拉伸率與火焰燃燒速度之間的關系，實驗發現剛開始時火焰速度慢慢升高，到某個時間段達到頂點，然后逐步下降，這與Liang C 等人[7]發現的變化規律一致，故此平臺實驗數據可靠，可作為生物質燃料燃燒特性的基于實驗平臺。

3.2 紋影圖像

圖3展示了實驗溫度418K，壓力值1bar，當量比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，當達到相同火焰直徑時，在當量比Φ=1附近的混合氣所需時間更短，同時隨著火焰的發展，當量比Φ=1的混合氣也是燃燒的最快的。隨著當量比的增大，即混合氣變濃時，發現在19.84ms附近，火焰前沿開始出現胞狀結構，這表明火焰變得不穩定。這種現象在濃混合物中更為顯著。

圖4展示了實驗溫度418K，當量比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，隨著初始壓力的增大，圖像輪廓變得模糊，這是因為在壓力的作用下，火焰表面容易產生裂紋，而且隨著裂紋的擴散會導致火焰表面變得褶皺或者細胞化，這將影像火焰的傳播速度。研究發現，當火焰半徑達到R=10mm時，隨著初始壓力值的增大，所需的時間越多，壓力達到3bar時，所需時間為14.3ms，但是與初始壓力值1bar時所需的時間僅僅相差1ms。但是隨著火焰的擴散，我們發現，當火焰半徑達到40mm時，兩者的時間差擴大到4ms，這也從側面表明壓力值增大，會導致火焰傳播速度變慢。

4 結語

本文基于可視化技術設計并搭建了以定容燃燒彈為基礎的生物質燃料燃燒特性測試平臺，并通過實驗對系統的穩定性、可靠性進行了驗證分析。針對實驗圖像的批量化處理進行了研究，提出了基于Open CV的生物質燃料燃燒過程特性參數的處理方案。通過乙酸丙酯燃料的燃燒過程對平臺的可行性和有效性進行了研究，研究表明，當溫度418K，壓力值1bar，混合氣的當量比Φ=1.0時，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。

基金項目：2024年浙江省大學生科技創新活動計劃（新苗人才計劃）一套用于燃料燃燒特性研究的可視化系統（2024R445A002）；2023年度浙江省高等學校訪問工程師校企合作項目“課程思政視域下汽車專業人才培養模式研究與探索”（FG2023006）；浙江交通職業技術學院校級項目“基于可視化技術的2-乙酰基呋喃預混火焰燃燒特性研究”；2024年浙江省大學生科技創新活動計劃（新苗人才計劃）多時空多要素感知智慧交通盒（2024R445A005）。

參考文獻：

[1]帥石金，王志，馬驍，等.碳中和背景下內燃機低碳和零碳技術路徑及關鍵技術[J].汽車安全與節能學報，2022，12（4）：417-439.

[2]許滄粟，劉凱，陳沖，等.電控噴油器噴霧特性測試平臺的開發[J].實驗室研究與探索，2022，41（9）：71-75.

[3]Xu C，Wang Q，Li X，et al.Effect of hydrogen addition on the laminar burning velocity of n-decane/air mixtures：Experimental and numerical study[J].International journal of hydrogen energy，2022（44）：47.

[4]Xu C S，Wang Q，Song Y，et al.Explosion characteristics of n-decane/hydrogen/air mixtures[J].International Journal of Hydrogen Energy，2022.

[5]張璇，王筱蓉，姜熠豪，等.基于LabVIEW的定容燃燒彈控制與數據采集系統設計[J].河北工業科技，2024，41（01）：69-76.

[6]周康泉.容彈上用定容法測量層流燃燒速度的研究[D].杭州：浙江大學，2024.

[7]Liang C，Li X，Xu C，et al.Hydrogen addition effect on cellularization and intrinsic instability of ethyl acetate spherical expanding flame[J].International Journal of Hydrogen Energy，2024，49：222-239.