瞬态火焰图像处理系统开发及其在实验教学中的应用

杨 晓， 刘建浩， 唐华兵， 娄 春， 程 强

(华中科技大学 能源与动力工程学院 煤燃烧国家重点实验室，武汉 430074)

瞬态火焰图像处理系统开发及其在实验教学中的应用

杨 晓， 刘建浩， 唐华兵， 娄 春， 程 强

(华中科技大学 能源与动力工程学院 煤燃烧国家重点实验室，武汉 430074)

热能动力工程装置中涉及瞬态火焰图像的检测与处理，如内燃机燃烧室中火焰温度的检测以及燃烧火焰脉动特性的检测。基于双色测温理论及傅里叶变换原理开发了一套瞬态火焰图像处理系统，结合高速摄像仪获得的瞬态燃烧火焰图像，能够计算瞬态火焰图像的温度分布、燃烧脉动的幅频特性。该系统已用于瞬态火焰图像检测处理的实验教学中，检测了定容弹燃用柴油的温度分布以及层流扩散乙烯火焰的脉动特性。

热能动力工程装置； 瞬态燃烧火焰； 图像处理； 实验教学

0 引 言

热能动力工程装置中涉及瞬态火焰图像的检测与处理，例如：内燃机燃烧室中的火焰是典型的随时间变化的瞬态火焰，对这些瞬态火焰的图像进行检测并分析得到火焰温度，有助于降低燃烧污染物的排放[1]。扩散火焰广泛存在于锅炉、窑炉等工业燃烧装置中，对扩散火焰的瞬态燃烧火焰图像进行检测，将时域的火焰图像信号转换为频域信号，可以得到扩散火焰脉动的特征频率。扩散火焰脉动频率被用来表征扩散火焰的可靠性[2]，脉动频率可以作为燃烧诊断和优化燃烧的参考[3-5]，脉动燃烧有助于提高工业燃烧装置运行的稳定性[6]。在热能工程专业教学中开展对瞬态火焰图像检测处理的实验教学，有助于学生更好地掌握相关的专业知识及技能技巧[7-8]。现有的燃烧实验教学及研究中，可以使用高速摄像仪直接获得燃烧装置中的瞬态火焰图像，但还缺乏对瞬态火焰图像进行后处理的专业工具，因此，有必要开发一套能对瞬态火焰图像进行处理的系统，以得到瞬态燃烧火焰的温度、特征频率等信息。本文基于双色测温理论[9]及傅里叶变换原理开发了一套瞬态火焰图像处理系统，结合高速摄像仪获得的瞬态燃烧火焰图像，能够计算瞬态火焰图像的温度分布、燃烧脉动的幅频特性，并用于瞬态火焰图像检测处理的实验教学中。

1 瞬态燃烧火焰图像处理系统开发

瞬态火焰图像检测处理的教学实验系统如图1所示，由被测火焰对象、高速成像硬件系统和火焰图像后处理软件三部分组成。高速成像硬件系统主要有高速摄像仪与计算机，火焰图像后处理软件则是结合火焰图像处理技术[10]及计算机编程开发出的瞬态燃烧火焰图像处理系统。教学实验系统针对的是瞬态燃烧过程的检测分析，用高速摄像仪完成对瞬态火焰图像的捕捉，并将火焰图像数据保存在计算机中；瞬态燃烧火焰图像处理系统读取计算机中存储的火焰图像数据，进行处理和计算得到瞬态燃烧过程特性，包括火焰温度分布及燃烧脉动的幅频特性。运用的基本原理包括：根据双色法测温原理计算火焰温度，根据傅里叶变换原理计算火焰脉动的幅频特性。然后，在软件的界面上显示数据处理结果，同时将结果存储在计算机硬盘上。

图1 瞬态火焰图像检测处理的教学实验系统

瞬态燃烧火焰图像处理系统基于双色法测温原理得到火焰温度分布，高速摄像仪捕捉到红(R)、绿(G)、蓝(B)三基色的彩色热辐射图像，利用黑体炉对高速成像系统进行标定[11]后，可以建立摄像机拍摄的彩色热辐射图像中每一像素的R、G、B值与红、绿、蓝三基色波长下单色辐射强度Iλr、Iλg、Iλb的关系为：

(1)

式中:a0,a1,…,an，b0,b1,…,bn，c0,c1,…,cn分别为标定系数，与彩色CCD图像探测器有关；Iλr,Iλg,Iλb分别为波长下λr,λg,λb的单色辐射强度，可通过Wein辐射定律计算，

(2)

根据双色法(如：R和G)测温原理，可以得到火焰图像中任意一点像素的温度：

(3)

根据上述原理及公式，操作所开发的瞬态燃烧火焰图像处理系统读取火焰图像后，就能对火焰图像数据进行分析，计算得到火焰图像的温度分布并保存计算的结果。在系统的界面中显示火焰温度分布，平均温度值随时间的变化，火焰饱和度的判断，以及显示鼠标在火焰图像上任一指定点的温度值与RGB值。

2 瞬态燃烧火焰图像处理系统在实验教学中的应用

2.1 火焰温度的检测

在开展定容弹喷雾燃烧火焰温度检测的实验教学中，定容弹内柴油喷雾燃烧是高温高压的瞬态过程。由于定容弹的空间是密封的，现有的接触式热电偶测温技术由于响应速度慢，无法实现这种瞬态情况下的温度测量。运用本文开发的瞬态火焰图像处理系统结合高速摄像仪，能够完成定容弹内柴油喷雾燃烧火焰温度的检测。实验过程中，首先调节好高速摄像仪的拍摄参数，连接高速摄像仪与定容弹电控喷油系统，采用同步控制装置同时触发定容弹喷射柴油燃烧及高速摄像仪拍摄；然后，完成定容弹喷雾燃烧火焰的捕捉，得到定容弹喷雾燃烧程的燃烧火焰图像，整个过程持续时间约为5 ms，选取部分定容弹内柴油喷雾燃烧实验过程的火焰图像如图2所示。

图2 定容弹喷雾燃烧实验中的火焰图像(μs)

通过高速摄像仪完成定容弹燃油喷雾燃烧过程火焰图像的捕捉后，操作瞬态火焰图像处理系统对火焰图像进行处分析，得到定容弹燃油喷雾燃烧过程温度分布，如图3所示。

图3 瞬态火焰图像处理系统检测火焰温度的界面

通过瞬态火焰图像处理系统对图2中的火焰图像计算得到的火焰温度分布如图4所示。

图4 火焰温度分布(K)

定容弹喷雾燃烧火焰温度检测的实验教学中，瞬态火焰图像处理系统对火焰图像处理进行处理的过程中，保存整个过程的每一幅火焰图像对应的温度分布、平均温度、最高温度、温度范围统计分布，还可以通过软件系统查看处理任一幅火焰图像，即能够计算得到整个燃油喷雾燃烧过程温度场的变化，也能得到某一瞬间火焰温度分布的信息。

2.2 火焰脉动特性的检测

运用瞬态火焰图像处理系统开展层流扩散火焰脉动特性检测分析的实验教学中，高速摄像仪对应的拍摄速度即为图像的采样频率，实验过程中控制高速摄像仪的拍摄速度为1 000 f/s,调整好光圈和镜头的焦距使拍摄的火焰图像清晰，通过高速摄像仪拍摄实验室层流扩散火焰的图像。实验过程中通过流量控制器控制气体燃料的及伴流气体的流量，各部分气体的流量稳定后，控制高速摄像仪拍摄层流扩散乙烯火焰得到火焰图像数据，部分火焰图像如图5所示。

图5 火焰图像

通过高速摄像仪获得层流扩散火焰图像数据后，使用瞬态火焰图像处理系统读取火焰图像，并进行处理分析得到的层流扩散火焰的脉动特性，高速摄像机的拍摄速度为1 000 f/s，选取了部分连续火焰图像数据，经过瞬态火焰图像处理系统分析得到的结果如图6所示。从分析结果可以看出燃烧火焰脉动的主要频率[15]、脉动的频率分布及对应的幅值。通过图6所示的处理结果可以得到实验中的层流扩散乙烯火焰脉动的频率范围分布在1～30 Hz，其特征频率为14 Hz。

图6 瞬态火焰图像处理系统检测层流扩散火焰脉动特性的界面

改变实验工况，可以通过本系统快速地计算出不同工况下层流扩散火焰脉动的幅频特性，从而实现对燃烧火焰稳定性的分析。

3 结 语

实验教学是热能动力工程专业教学中的重要环节，本文中开发的瞬态火焰图像处理系统能用于燃烧实验教学的火焰温度及特征频率检测。通过理论与实践的结合进一步激发学生的学习兴趣，有助于热能动力工程专业的本科生及研究生更好的掌握燃烧测试理论及技术。

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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

科技部科技伙伴计划项目(KY201401003)

杨 晓(1990-),男,湖北黄冈人,硕士生,主要从事燃烧测试的研究。Tel.:13720232142;E-mail:m13720232142@163.com

娄 春(1977-),男,重庆人,博士,副教授,主要从事燃烧检测及辐射换热研究。

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

TK 39

A

1006-7167(2017)06-0055-03