一种用于在预混稳定滞止火焰中辨识碳烟生成临界点的方法技术

本发明专利技术公开了一种用于在预混稳定滞止火焰中辨识碳烟生成临界点的方法。以乙烯预混稳定滞止火焰为例进行验证，使用该方法辨识了碳烟生成临界点。该方法通过非侵入性光学诊断系统采集每个当量比下的大量火焰图片，利用python对图像进行后续处理。本发明专利技术的方法提供了判断图片张数对结果影响程度的误差指标，量化了碳烟形成过程并给出了碳烟临界点的定义，提供了创新的辨识指标。经实验验证，本发明专利技术的方法可以准确地捕捉到预混稳定滞止火焰碳烟生成区域的一系列变化，进而辨识出碳烟生成临界点。界点。界点。

【技术实现步骤摘要】
一种用于在预混稳定滞止火焰中辨识碳烟生成临界点的方法


[0001]本专利技术属于燃烧
，具体涉及一种用于在预混稳定滞止火焰中辨识碳烟生成临界点的方法。

技术介绍

[0002]碳氢燃料的不完全燃烧所产生的碳烟不仅会对环境造成危害，还会影响人类的健康和正常的生活生产行为。因此，对于如何抑制碳烟的生成，了解并控制碳烟的生成过程尤为重要。
[0003]预混稳定滞止火焰是指燃料与氧化剂按照一定比例在进行反应前进行预混，并于混合气外侧用大流量氮气将混合气与外界空气进行隔绝，于燃烧器喷口上方可以与火焰充分接触的位置放置滞止板所形成的火焰。相较于预混火焰，该火焰拥有更强的火焰刚性，稳定性更好，且拥有定义明确的物理边界，非常适合研究碳烟生成的过程，尤其是碳烟如何从气相转变成固相的过程。
[0004]随着当量比的增大，火焰从富氧燃烧转变成富燃料燃烧，预混稳定滞止火焰会从无碳烟的蓝色火焰逐渐转变成高浓度碳烟含量的橙色火焰。对应地，其中火焰颜色的变化代表着燃烧区域的化学发光部分由自由基发光转变成由自由基和碳烟辐射耦合发光。而火焰中刚开始出现橙色时所对应的工况，我们将其认定为宏观意义上的碳烟生成临界点。
[0005]对于先前用于判断碳烟生成临界点的方法大多通过视觉方法判断，受到较大的主观因素的干扰，会对结果造成偏差。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种通过非侵入性光学诊断系统准确辨识预混稳定滞止火焰中碳烟生成临界点的方法。该方法可以有效削弱图片中噪点对于结果的干扰，量化了碳烟生成过程，并定义了碳烟生成临界点。该方法可以准确的捕捉到碳烟生成临界点，这对于研究碳烟形成过程具有重要意义。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0008]一种用于在预混稳定滞止火焰中辨识碳烟生成临界点的方法，该方法包括
[0009]步骤1：使用相机拍摄在不同火焰工况下连续变化的火焰图像，每个工况100张，对每个工况的25张、50张、75张、100张火焰图片进行火焰区域提取并求取均值图片；
[0010]步骤2：；对各工况不同图片处理量的均值图片中所有红色信号值大于蓝色信号值的点进行数量统计，并在黑色背景图片上根据差值大小表示这些点形成差值图片；
[0011]步骤3：以各工况的当量比作为横坐标，各工况不同图片处理量的均值图片的红色信号值大于蓝色信号值的像素点的数量作为纵坐标，绘制散点图；
[0012]步骤4：对步骤3中不同图片处理量的均值图片的同一工况的纵坐标进行误差统计，选择误差小于5％时求取的均值图片；
[0013]步骤6：对步骤4中选取的均值图片的散点图进行线性插值，并求取二阶导数，定义
当第一次出现LPN不为0但其二阶导数为0的工况为碳烟生成临界点；
[0014]优先地，步骤1中的相机为高清数码单反相机或CCD相机。
[0015]优先地，步骤1中的拍摄参数在实验过程中均设置为固定值。
[0016]优先地，步骤1中的相机在实验过程中处于固定位置，且周围无其他外部光源，没有其他气流扰动。
[0017]优先地，步骤1中的不同火焰工况仅通过改变单一参量来实现，其他条件均保持一致，例如，仅增加固定的当量比。
[0018]优先地，步骤1中的火焰工况进行改变后，等待2分钟让管路内气体稳定，然后在进行拍摄。
[0019]优先地，步骤1中，截取的火焰区域必须高于燃烧器喷口，低于滞止板，且包含所有火焰部分。
[0020]优先地，步骤1中，求取图片均值的方法可以用以下公式定义：
[0021][0022]其中，B为蓝色信号值，G为绿色信号值，R为红色信号值。其中B，G，R分别代表均值图片的蓝色信号值，绿色信号值和红色信号值。K为求取均值图片的图片数量，i为每张图片的编号。
[0023]优先地，步骤2中，红色信号值大于蓝色信号值的像素点数量定义为:
[0024][0025]其中N和M分别代表均值图片的水平方向像素点数量和垂直方向上像素点个数。i和j分别代表均值图片的像素点横坐标和纵坐标。
[0026]优先地，步骤2中，黑色背景图片和均值图片大小相等，所有展示的像素点的位置和均值图片中像素点的位置相同。
[0027]优先地，步骤4中，误差指数被定义为：
[0028][0029]其中m表示一个工况用了多少张图片进行求取均值图片，φ
i
表示不同的工况。
[0030]优先地，步骤5中，碳烟生成临界点前后工况的火焰特征和规律为：在没有碳烟生成时，火焰中只有蓝色化学发光区域，所截取的火焰区域图片中所有点的红色信号值小于蓝色信号值，在差值图片中的表现为没有发光点。在碳烟生成临界点附近，火焰中会有蓝色发光区域和较弱的橙色发光区域，所截取的火焰图片中开始逐渐出现红色信号值大于蓝色信号值的点，且数量随着当量比的增加逐渐增加。在差值图片中的表现为逐渐出现蓝色发光点并开始逐渐转变成红色发光点。在有明显碳烟生成时，火焰中同时存在蓝色发光区域和橙色发光区域，所截取的火焰区域中有红色信号值大于甚至远大于蓝色信号值的点，在差值图片中的表现为发光点众多且多数为红色发光点。
[0031]优先地，步骤5中，碳烟生成临界点的工况被定义为从LPN缓慢增长到LPN快速增长的转折点。基于误差指数的结果，对误差指数小于5％的两种图片处理张数中处理数量多的
作为可判断碳烟临界点的结果。认定当第一次出现LPN不为0但其二阶导数为0的工况为碳烟生成临界点。
[0032]本专利技术与现有技术相比，具有以下优点：
[0033](1)本专利技术的方法基于图片中的R值与B值对碳烟生成进行了量化，以数值分析的方式对预混稳定滞止火焰的碳烟临界点进行了判断，排除了主观判断带来的偏差；
[0034](2)本专利技术的方法指出，对同一工况的多张图片求取均值图片可以有效的降低噪声的影响，并给出了图片张数对结果影响的指标，对平衡计算量以及准确性具有指导意义；
[0035]下面结合说明书附图对本专利技术进行进一步描述。
附图说明
[0036]图1为不同当量比下预混稳定滞止火焰的均值图片和其R/B差值图片，其中下标1为均值图片，下标2为R/B差值图片。
[0037]图2(a)为不同当量比下的LPN值,(b)为不同当量比下不同图片处理张数对结果影响。
[0038]图3为预混稳定滞止火焰中碳烟生成临界点的判断方法。
具体实施方式
[0039]下面结合附图及具体实施例对本专利技术进行详细介绍。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以阐释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0040]以乙烯预混稳定滞止火焰为例，对本专利技术进行进一步介绍。
[0041]一种用于在预混稳定滞止火焰中辨识碳烟生成临界点的方法，其具体步骤如下：
[0042]步骤1：在黑暗的环境下，在固定位置使用固定拍摄参数的高清数码单反相机，拍摄不同当量比下的火焰图片，每个当量比下在短时间本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于在稳定滞止火焰中辨识碳烟生成临界点的方法，其特征在于：步骤1：使用相机拍摄在不同火焰工况下连续变化的火焰图像，每个工况N张，并将这N张图片进行火焰区域提取和求取均值图片；步骤2：对各工况不同图片处理量的均值图片中所有红色信号值大于蓝色信号值的点进行数量统计，并在黑色背景图片上根据差值大小表示这些点形成差值图片；步骤3：以各工况的当量比作为横坐标，各工况不同图片处理量的均值图片的红色信号值大于蓝色信号值的像素点的数量作为纵坐标，绘制散点图；步骤4：对步骤3中不同图片处理量的均值图片的同一工况的纵坐标进行误差统计，选择误差小于5％时求取的均值图片；步骤5：对步骤4中选择的均值图片的散点图进行线性插值，并求取二阶导数，当第一次出现LPN不为0但其二阶导数为0的工况为碳烟生成临界点。2.根据权利要求1所述的用于在预混稳定滞止火焰中辨识碳烟生成临界点的方法，其特征在于，步骤1中的相机为高清数码单反相机或CCD相机。3.根据权利要求1所述的用于在预混稳定滞止火焰中辨识碳烟生成临界点的方法，其特征在于，步骤1中的相机在实验过程中处于固定位置，且周围无其他外部光源，拍摄参数在实验过程中均设置为固定值。4.根据权利要求1所述的用于在预混稳定滞止火焰中辨识碳烟生成临界点的方法，其特征在于，步骤1中仅改变当量比来，其他条件均保持一致。5.根据权利要求1所述的用于在预混稳定滞止火焰中辨识碳烟生成临界点的方法，其特征在于，N的数值应大于50，N值越大，结果越好。6.根据权利要求1所述的用于在预混稳定滞止火焰中辨识碳烟生...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘冬，任航，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：