基于视频的烟气流速场、湍流度场实验测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种基于视频的烟气流速场、湍流度场实验测量装置及方法，本发明专利技术的烟气腔室为可分离框架式结构，可以搭建成不同结构进行不同环境结构内的火灾羽流模拟；通过高清摄像机拍摄烟气视频，对视频进行实时处理，通过光流法计算出烟气的速度分布，进而计算出烟气的湍流强度，将数据保存在数据库中供实验分析使用，同时烟气速度、湍流强度的伪彩图也可实时显示在计算机屏幕上。本发明专利技术使用视频分析这种非接触方式对烟气速度、湍流强度进行测量，能得到二维平面上任意位置烟气的速度、湍流强度瞬时值，方法简单、快速、准确，得到的数据量大且全面，避免了在烟气腔室内安装气流速度测量装置引入的干扰，为火灾科学研究提供了便利。

【技术实现步骤摘要】
基于视频的烟气流速场、湍流度场实验测量装置及方法
本专利技术涉及火灾科学研究领域，尤其涉及烟羽流、烟气运动规律研究、火灾烟气模拟实验测量等方面，具体涉及一种基于视频的烟气流速场、湍流度场实验测量装置及方法。
技术介绍
火灾现象分为可燃物燃烧和热空气流动两个相互影响的过程，烟气运动是火灾科学研究中最为重要的内容之一。在进行建筑、隧道、地铁、船舶等场景火灾烟气运动特性研究时，主要通过实体试验和计算机模拟进行研究。实体试验研究指的是在特定的空间内，通过检测火场中热和烟气等各项指标，找出其规律性。在实验研究中，通常在特定的模拟空间内通过具体火灾实验，获得实验数据，通过对数据的整理，分析总结出火灾烟气特性，进行同类场景的火灾预测。烟气流速是火灾研究中的重要参数。目前，主要采用测量气体流速的方法对烟气进行测速，包括气压法、机械法与散热率法等。气压法测量使用皮托管式风速传感器和双向微压差计等；机械法利用叶轮风速仪等；散热率法使用热线、热球风速仪等。还有研究者为得到火灾中羽流前锋上升时间，在实验空间内布置热电偶树，测量火灾中温度分布，当热电偶温升达到某个值时，确定为烟气羽流前锋到达该处。有的装置在测量过程中还存在一些问题，例如热线、热球风速仪在流速过低时，受到自然对流和辐射的作用的影响，测量值会比实际值偏大；常温热球风速仪也不能用于测量高温火灾烟气。同时，此类风速仪不能识别末流的方向，因此不能进行流动的定向测量。此外，为了保护热线或热球不受杂质的撞击，在探头外部通常会套上一层会属滤网，在测量火灾烟气时，固体颗粒会堵塞网孔，使得气体无法流过探头，导致测量结果偏低。人们也考虑在盐水中进行烟气流动模拟，用盐水在清水中的湍流重力流动来仿真热烟气在空气中的湍流浮力流动。由于两种流动具有相似现象，所以可用来研究实际火灾烟气流动的特性。但盐水模拟实验也存在难以测量速度场的问题。湍流强度根据通过测量得到的速度值进一步推导计算得到。目前所用的烟气速度和湍流强度测量装置均属于点式测量，只能根据布置在实验舱室内的点式传感器得到某些位置的速度值，无法得到烟气整体运动的速度场。专利申请公布的“热风式湍流模拟装置(CN201010605579)”，专利技术了一种热风式湍流模拟装置，通过调节加热和风速控制器控制湍流的强度，使用风速传感器和温度传感器在装置的内部一侧测量湍流速度和温度。但该装置只在侧面使用两个传感器，无法得到箱体内部空间真实的湍流分布状况，只能对湍流强弱进行定性估计。专利申请公布的“一种测量粒子速度的方法(CN101231299A)”，通过在水槽的流场中散布合适的示踪粒子，根据两粒子像点位置信息和灰度总和的差异得到粒子的速度矢量，从而获得整个流场的速度信息。但是该技术的实现必须使用示踪粒子，在液体中较容易实现，在烟气流场中加入示踪粒子很难实现。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，为火灾科学中烟羽流、烟气运动相关研究提供基于视频的烟气流速场、湍流度场实验测量装置及方法。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：基于视频的烟气流速场、湍流度场实验测量装置，包括烟气实验系统，视频采集系统和数据处理系统三部分。烟气实验系统由一个烟气腔室，一个发烟箱和排烟装置构成；视频采集系统由一台高清摄像机和照明系统构成；数据处理系统包括一台计算机。系统的烟气实验系统部分的发烟箱装载发烟材料和加热装置，产生的烟气进入烟气腔室；高清摄像机透过透明的烟气腔室外壁采集烟气视频信息，将视频数据通过网络线缆传入负责视频数据处理的计算机，在计算机中利用图像处理技术对烟雾视频信号进行分析处理，获得二维平面上的火灾烟气速度和湍流强度实时数据。该专利技术特征在于：所述烟气腔室，由透明无色有机玻璃构成，为可分离框架式结构，腔体壁面玻璃可以根据模拟环境设置开口、缝隙等，可以搭建成不同结构供不同环境结构内的火灾羽流模拟；烟气腔室背景用黑色摄影专用吸光布平铺，增强拍摄的烟雾视频；烟气腔室背景标有白色刻度，可以通过图像处理技术实现图像坐标系和世界坐标系的转换，得到烟气运动的实际速度；所述发烟箱由2毫米厚钢板构成，可以放置电炉等设备点燃固体可燃物，使其阴燃发烟；发烟箱高度应超过加热装置加上发烟材料的高度，底面积应足够大以防止加热装置产生的热量影响到烟气腔室壁面材料；所述排烟装置，能够通过排烟风机将烟气腔室内的火灾烟气抽出，通过烟气净化器对烟气进行处理并排出；所述高清摄像机有至少1920×1080像素的分辨率，能够手动调焦，摄像机拍摄的视频信号能够通过网线实时传输到计算机；所述照明系统由数个摄影用柔光灯箱构成，可以按照视频拍摄需要调整灯箱数量、位置和角度；所述计算机可以通过网线实时获取视频数据，对视频进行实时处理，计算出烟气速度和湍流强度，将数据保存在计算机数据库中，并实时显示烟气湍流强度的伪彩图。本专利技术的基于上述装置的火灾烟气速度和湍流强度方法，包括以下步骤：(1)将发烟材料(如棉绳、木条等)放入发烟箱中，开启照明系统，打开计算机和高速摄像机；(2)调整摄像机和照明系统使拍摄区域光线条件最佳，摄像机视场覆盖烟气腔室内所有区域；(3)开启高清摄像机进行视频采集，打开基于视频的烟气速度和湍流强度计算软件，打开烟箱中的加热装置，烟气开始充填烟气腔室。将采集到的烟气视频数据传输到计算机中，所述的火灾烟气湍流强度数据根据以下方式得到：根据像素在时间域上的变化以及相邻帧之间的相关性，利用Horn-Schunk的光流计算方法，计算出t时刻烟气视频图像中(x,y)处像素的速度u(x,y,t)。湍流强度I(x,y)的计算公式如下：其中u'(x,y,N),分别为连续N帧视频(x,y)处速度的均方根和平均值。利用光流计算得到的速度值和式(1)～(3)可以得到视频中烟气所有像素处的湍流强度的瞬时值。上述计算得到的速度值单位为像素/帧，速度值乘以帧速率将单位化为像素/秒。通过图像处理技术，将速度转换至以米/秒为单位的世界坐标系中。烟气腔室背景上标有一道白色刻度，通过阈值方法得到矩形白色刻度区域，计算白色区域的长度L(单位为像素)，而刻度的实际长度为L’(单位为米)，则光流法计算得到的速度u1可以按照式(4)转换到世界坐标系下：速度分布和湍流强度分布以伪彩图形式实时显示在显示器中。(4)试验完毕，进行机械排烟。本专利技术的原理在于：本专利技术提供了一种通过视频处理进行火灾烟气湍流强度测量的装置和方法。本专利技术对小尺度烟气腔室内的烟气视频进行实时分析处理，根据动态视频图像得到烟气各区域的瞬时速度，进而计算出各位置处的烟气湍流强度，将速度和湍流强度数据记录在数据库中供后期实验分析使用，速度数据可以选择使用世界坐标或图像坐标；表示烟气湍流强度的伪彩图像也实时显示在显示器上，可以观察烟气运动情况，烟气视频、伪彩速度和伪彩湍流视频也存于计算机的数据库中，可以供实验观察分析使用。本专利技术还会带来一定的积极效果：由于装置通过视频进行非接触式的烟气速度和湍流测量，避免了热电偶、热线风速仪等设备的布置和安装对实验空间的干扰，简化了实验台设计；采用可分离框架式结构的烟气腔室，可以按照实验模拟环境搭建不同结构的腔室，进行各类小尺度火灾烟气实验；使用视频分析方法能够实时计算出视频中烟气任意位置的湍流强度。本专利技术的非接触式烟气速度、湍流强度测量装置简单，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于视频的烟气流速场、湍流度场实验测量装置，包括烟气实验系统，视频采集系统和数据处理系统三部分，烟气实验系统由一个烟气腔室，一个发烟箱和排烟装置构成；视频采集系统由一台高清摄像机和照明系统构成；数据处理系统包括一台计算机，烟气实验系统部分的发烟箱装载发烟材料和加热装置，产生的烟气进入烟气腔室；高清摄像机透过透明的烟气腔室外壁采集烟气视频信息，将视频数据通过网络线缆传入负责视频数据处理的计算机，在计算机中利用图像处理技术对烟雾视频信号进行分析处理，获得二维平面上的火灾烟气速度和湍流强度实时数据；其特征在于：所述烟气腔室，由透明无色有机玻璃构成，为可分离框架式结构，腔体壁面玻璃可以根据模拟环境设置开口或缝隙，可以搭建成不同结构供不同环境结构内的火灾羽流模拟；烟气腔室背景用黑色摄影专用吸光布平铺，增强拍摄的烟雾视频；烟气腔室背景标有白色刻度，可以通过图像处理技术实现图像坐标系和世界坐标系的转换，得到烟气运动的实际速度；所述发烟箱由2毫米厚钢板构成，可以放置电炉等设备点燃固体可燃物，使其阴燃发烟；发烟箱高度应超过加热装置加上发烟材料的高度，底面积应足够大以防止加热装置产生的热量影响到烟气腔室壁面材料；所述排烟装置，能够通过排烟风机将烟气腔室内的火灾烟气抽出，通过烟气净化器对烟气进行处理并排出；所述高清摄像机有至少1920×1080像素的分辨率，能够手动调焦，摄像机拍摄的视频信号能够通过网线实时传输到计算机；所述照明系统由数个摄影用柔光灯箱构成，可以按照视频拍摄需要调整灯箱数量、位置和角度；所述计算机可以通过网线实时获取视频数据，对视频进行实时处理，计算出烟气速度和湍流强度，将数据保存在数据库中，并实时显示烟气速度和湍流强度的伪彩图。...

【技术特征摘要】
1.一种基于视频的烟气流速场、湍流度场实验测量装置，包括烟气实验系统，视频采集系统和数据处理系统三部分，烟气实验系统由一个烟气腔室，一个发烟箱和排烟装置构成；视频采集系统由一台高清摄像机和照明系统构成；数据处理系统包括一台计算机，烟气实验系统部分的发烟箱装载发烟材料和加热装置，产生的烟气进入烟气腔室；高清摄像机透过透明的烟气腔室外壁采集烟气视频信息，将视频数据通过网络线缆传入负责视频数据处理的计算机，在计算机中利用图像处理技术对烟雾视频信号进行分析处理，获得二维平面上的火灾烟气速度和湍流强度实时数据；其特征在于：所述烟气腔室，由透明无色有机玻璃构成，为可分离框架式结构，腔体壁面玻璃能够根据模拟环境设置开口或缝隙，能够搭建成不同结构供不同环境结构内的火灾羽流模拟；烟气腔室背景用黑色摄影专用吸光布平铺，增强拍摄的烟雾视频；烟气腔室背景标有白色刻度，能够通过图像处理技术实现图像坐标系和世界坐标系的转换，得到烟气运动的实际速度；所述发烟箱由2毫米厚钢板构成，能够放置电炉设备点燃固体可燃物，使其阴燃发烟；发烟箱高度应超过加热装置加上发烟材料的高度，底面积应足够大以防止加热装置产生的热量影响到烟气腔室壁面材料；所述排烟装置，能够通过排烟风机将烟气腔室内的火灾烟气抽出，通过烟气净化器对烟气进行处理并排出；所述高清摄像机有至少1920×1080像素的分辨率，能够手动调焦，摄像机拍摄的视频信号能够通过网线实时传输到计算机；所述照明系统由数个摄影用柔光灯箱构成，能够按照视频拍摄需要调整灯箱数量、位置和角度；所述计算机能够通过网线实时获取视频数据，对视频进行实时处理，计算出烟气速度和湍流强度，将数据保存在数据库中，并实时显示烟气速度和湍流强度的伪彩图。2.一种基于视频的烟气流速场、湍流度场实验测量方法，该测量方法基于权利要求1所述的装置进行测量，其特征在于：检测到存在烟雾信号后，所述的装置按以下步骤进行火灾探测与定位：步骤(1)、将发烟材料放入发烟箱中，开启照明系统，打开计算机和高速摄像机；步骤(2)、调整摄像机和照明系统使拍摄区域光线条件最佳...

【专利技术属性】
技术研发人员：张永明，贾阳，林高华，方俊，王进军，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34