定容燃烧弹预混层流燃烧火焰图像处理方法的研究*

刘 磊侯 佳吕晓辉唐华浩(.武汉交通职业学院,湖北 武汉 40065;.华中科技大学,湖北 武汉 40075; .武汉理工大学,湖北 武汉 4006)

定容燃烧弹预混层流燃烧火焰图像处理方法的研究*

刘 磊1侯 佳2吕晓辉3唐华浩3
(1.武汉交通职业学院,湖北 武汉 430065;2.华中科技大学,湖北 武汉 430075; 3.武汉理工大学,湖北 武汉 430063)

该文介绍了定容燃烧弹实验系统的组成和原理,以及K值(标定比例)的确定方法。通过高速摄影机对定容燃烧弹内预混层流燃烧火焰进行实时拍摄,获得其火核形成与火球扩散的数据信息。对定容燃烧弹预混层流燃烧火焰图片利用计算机编程了图像处理程序。利用该程序对220张预混层流燃烧火焰图片进行了处理与分析,结果表明:图像检测正确率为95.2%,检测所需时间为3.5秒,使定容燃烧弹实验数据处理的速度和准确性都有了大幅提高,为定容燃烧弹实验研究提供了极大便利。

定容燃烧弹;层流火焰;图像处理

定容燃烧弹可以模拟发动机活塞在上止点附近的燃烧。其特点是结构简单,能够方便的改变热力学的参数,湍流参数和点火参数[1],是对内燃机燃烧理论进行基础研究的重要工具。利用定容燃烧弹装置可以控制单一参数对发动机燃烧性能的影响。利用高速摄像机可以拍摄到定容燃烧弹内部的火核形与火焰扩散过程,得到层流燃烧火焰半径,再通过火焰半径与高速摄影机帧数关系,进而得到火焰传播速度。无拉伸层流火焰燃烧速度以及无拉伸层流火焰传播速度等燃烧学参数的获得可以通过建立火焰传播速度与火焰拉伸与之间的关系而获得[2]。这样便能利用定容燃烧弹设备对内燃机燃料的预混层流火焰特性进行试验研究。

定容燃烧弹实验数据的取得需要通过高速纹影摄影实现。实验过程中高速摄像机以每秒20000帧甚至更高的频率记录层流火焰发展历程。想要测出火焰半径随时间的变化,工作量十分巨大,每次实验后都留下成千上万幅图片需要处理。传统的人工处理方法耗时巨大且精度较低。因此我们提出利用计算机图像处理技术来对定容燃烧弹预混层流燃烧火焰图片进行处理,编写了测量火焰半径的程序,使得实验数据处理的速度和准确性都大大提高。

1 定容燃烧弹实验系统

定容燃烧弹实验系统是由五个子系统共同组成的,即定容燃烧弹弹体、温度控制子系统、预混层流燃烧混合气供给与配制子系统、电极点火子系统、压力数据采集子系统以及高速摄影机与图像采集子系统。如图1和图2所示即为定容燃烧弹系统原理图和实验装置图。利用该实验装置我们便可对预混层流燃烧混合气体在不同的温度、压力以及过量空气系数等因素下燃烧的火核形成与火焰扩散的过程进行记录与研究。在用电极点火子系统对预混合进行点火之前先将混合气体静置一段时间使其进行充分混合,其中混合气体按照分压定律配置。电极点火子系统点火的同时会触发高速摄像机对容弹内火焰传播过程进行拍摄,此时压力数据采集子系统会同步记录压力数据。

图1 容弹系统原理图

图2 容弹实验装置图

压力数据采集子系统以及高速摄影机与图像采集子系统可以对定容燃烧弹内的压力进行测量,同时记录下混合气层流燃烧火焰扩散全过程。未燃气的温度、压力以及当量比等条件会影响到混合气体的层流火焰燃烧速度,然而,定容燃烧弹试验装置是一个体积不变的封闭空间,在弹体内燃烧就会引起整个环境的温度、压力变高。故只有在几乎不损失火焰能量且已然气为准定压绝热燃烧而未然区的压力温度等条件几乎不变的情况下才能将混合气的层流燃烧速度近似为火焰燃烧速度。图3所示为弹体内预混层流燃烧混合气体在电极点火子系统点火后火焰呈球形扩散图片。电极点火子系统通过两根平行相对的电针对混合气体点火,电针两极的电压大小不同会使得系统初始的点火能量发生变化,这样就会对层流火焰传播产生影响。火焰半径太小时这种影响会使实验结果产生较大误差。只有当火焰半径大于5mm时误差才能忽略。所以通常取火焰半径值在5mm到25mm区间内(在该区间内我们才能将已然区气体的扩散近似作一个定压绝热燃烧过程,将未然区气体近似作未点火前状态。)取得的数据作为定容燃烧弹预混层流燃烧实验结果。最后用五点三次法对定容燃烧弹预混层流燃烧火焰半径数据进行平滑处理。

图3 火核发展纹影照片

上式中:rn即为层流燃烧火焰半径值;t为火焰传播时间。在实际计算时,通常也可以采用下式进行求解:

上式中:Sni为i时刻容弹内层流燃烧拉伸火焰传播速度,ri+1和ri-1分别为i+1和i-1时刻的层流燃烧火焰半径值,Ti+1和Ti-1为i+1和i-1时刻[3]。

2 K值(标定比例)的确定

K值即标定比例的值指的是,高速摄影机调整好焦距后,拍摄到的实际尺寸与实际纹影照片像素之间的比例关系K(mm/像素)。定容燃烧弹实验数据处理过程中对于K值的确定是通过容弹实验装置中的尺寸与实际拍摄的纹影照片中的像素尺寸来确定标定比例的。

K=实验中实际尺寸/实际纹影照片像素(mm/像素)

本文对K值的确定给出了两种方法。第一种方法是将实际测量的定容燃烧弹中电针直径尺寸与实际纹影照片中电针的直径像素之间的比例关系K1(mm/像素)定义为比例尺寸。这种定义

可燃气体在定容燃烧弹内预混层流燃烧的过程可以近似的当作一个准球形膨胀燃烧。在球形膨胀燃烧的过程中拉伸火焰传播速度可以由层流燃烧火焰半径与火焰传播时间的比值求出:方法没有理论误差,但在实际的实验过程中,电针直径尺寸较小且各处电针直径并不均匀,测量实际定容燃烧弹中电针直径尺寸存在测量实验误差。第二种方法是将实际测量的定容燃烧弹圆形石英玻璃直径尺寸与实际纹影照片中圆形视野直径的像素之间的比例关系K2(mm/像素)定义为比例尺寸。这种定义方法存在理论误差,由于定容燃烧弹圆形石英玻璃直径尺寸较电针直径尺寸大得多且较易测量,故测量实际定容燃烧弹中圆形石英玻璃直径尺寸的实验误差较小。

K1=定容燃烧弹中电针直径尺寸/实际纹影照片中电针的直径像素(mm/像素)

K2=实际测量的定容燃烧弹圆形石英玻璃直径尺寸/实际纹影照片中圆形视野直径的像素(mm/像素)

3 层流燃烧火焰图像处理方法

我们首先使用高斯滤波和中值滤波对高速摄影机拍摄的初始图像进行预处理,通过从初始图像中的某个采样窗口取出奇数个数据进行排序,用排序后的中值取代要处理的数据,使得周围的像素值能更接近的真实值,从而消除孤立的干扰点,起到保护边缘信号,平缓去噪的作用。接着,我们从Canny、Robes、Cross、Prewitt和Sobel等边缘检测算子[4]中,选择Canny算子进行圆弧边缘提取。Canny相对于其它边缘检测算子能最大程度的保证完整的细节信息。最后,运用投影定位法分别对二值图进行水平和垂直方向的投影,得到投影图,然后对投影图进行均衡化、波峰合并等措施得到图像的目标区域(可疑波峰),分别得到水平投影目标区域宽度iLenHorizontal,垂直投影目标区域宽度iLen Vertical,进而得到圆形半径为:

定义一个数据结构,存储投影形成的峰的信息。

其算法实现如下:

(1)对边缘图像(二值图)进行水平投影,得到水平直方图。

(2)对水平直方图进行去噪,当直方图某点值小于T时,令该点的投影值为0,实验中T取3。

(3)使用1*5的模板对直方图进行均衡化(就是求其左右各两个点、自身的平均值)。

(4)遍历所有的波峰,使用定义Peak结构体,把各峰信息用线性链表逐个记录,包括波峰的起始、终止、峰值等信息。

(5)对记录的各峰访问,合并临近的可疑的波峰,若某波峰结束坐标和下一个波峰的起始坐标较近(试验中坐标差取20),转至(6);否则,转至(7)。

(6)将两个波峰合并为一个波峰,起始坐标、终止坐标、峰的宽度,转至(5)。

(7)若波峰信息访问未结束,则转至(5);否则执行下一步。

(8)重新访问波峰信息,记录峰值宽度最宽的峰,得到其起始坐标iStart Coord和终止坐标iEnd-Coord。

(9)计算水平投影目标区域宽度:iLen Horizontal=iEnd Coord-iStart Coord。

(10)依照步骤(1)-(9),对水平方向进行投影,得到垂直投影目标区域宽度iLenVertical。

(11)按公式(3)计算圆弧半径。

4 层流燃烧火焰图像处理结果

高速摄影机与图像采集子系统的拍摄频率为20000帧/秒,用如此高频率的摄影机对定容燃烧弹内预混层流燃烧火焰扩散过程进行实时拍摄会得到巨大的实验数据。单凭人工方法来测量每一幅图片的球形火焰的半径值,耗时巨大。同时由于人工处理实验数据会造成个人误差,造成实验结果的不准确。因此,我们利用计算机图像处理技术,编写了层流燃烧火焰半径提取程序[5、6]。利用该程序对层流燃烧火焰图片进行批量处理能使得实验数据处理的速度和准确性都得到大幅提高。以下是用该程序处的图片总共220张,在处理过程中,火焰大致可以分为三个阶段。

4.1 预混层流燃烧球形火核形成初始阶段

图4为预混层流燃烧球形火核初始形成阶段高速摄影机与图像采集子系统捕捉到的实时火焰图片。在初始阶段中,层流燃烧火核还未稳定形成,球形火焰半径非常小且检测圆半径值偏小,导致提取到的球形火焰半径值波动较大,检测的效果不理想。

图4 预混层流燃烧球形火焰初始形成阶段计算机检测图片

4.2 预混层流燃烧球形火焰扩散阶段

图5为预混层流燃烧球形火焰正常扩散阶段由高速摄影机与图像采集子系统捕捉到的实时火焰图片。在火焰扩散阶段中,球形火焰半径慢慢增大,火球稳定发展,图片检测效果比较理想。

图5 预混层流燃烧球形火焰扩散阶段计算机检测图片

4.3 预混层流燃烧球形火焰超出高速摄影机拍照视野阶段

图6为预混层流燃烧球形火焰过大超过拍摄视野阶段高速摄影机与图像采集子系统捕捉到的实时火焰图片。在球形火焰半径过大阶段中,火焰边界超出高速摄像机所能拍摄到的范围,计算机检测得到的火焰半径值随时间剧烈波动,该火球过大阶段取得的图片数据基本无效。

对全部220张预混层流燃烧火焰图片进行检测,统计检测结果:层流燃烧火焰半径提取正确率(包括无效图片在内)为90.5%;层流燃烧火焰半径提取正确率(不包括无效图片在内)为95.2%。对全部220张火焰图片在Intel®AtomTMN270@1.60 GHzCPU主频计算机上利用定容燃烧弹预混层流燃烧火焰半径提取程序对层流燃烧火焰图片进行处理,系统处理耗时少于3.5秒。

图6 预混层流燃烧球形火焰超出高速摄影机拍照视野阶段计算机检测图片

5 结论

(1)对定容燃烧弹实验系统的组成和原理进行了介绍,比较了不同的K值(标定比例)的确定方法。通过高速摄影机对定容燃烧弹内预混层流燃烧火焰进行实时拍摄,获得其火核形成与火球扩散的数据信息。

(2)利用计算机图像处理技术编写了定容燃烧弹预混层流燃烧火焰半径提取程序。利用该程序对层流燃烧火焰图片进行批量处理能使得实验数据处理的速度和准确性都得到大幅提高。

(3)对220张预混层流燃烧火焰图片进行检测,统计检测结果:层流燃烧火焰半径提取正确率(包括无效图片在内)为90.5%;层流燃烧火焰半径提取正确率(不包括无效图片在内)为95.2%。

(4)利用定容燃烧弹预混层流燃烧火焰半径提取程序对层流燃烧火焰图片进行处理,计算机处理耗时少于3.5秒。

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1672-9846(2013)03-0075-04

2013-07-20

刘 磊(1985-),男,湖北武汉人,武汉交通职业学院船舶与海洋工程学院教师,主要从事内燃机燃烧与排放控制研究。

侯 佳(1988-),男,湖北武汉人,华中科技大学硕士研究生,主要从事图像识别与人工智能研究。

吕晓辉(1987-),男,山东青岛人,武汉理工大学硕士研究生,主要从事内燃机性能模拟与仿真研究。

唐华浩(1986-),男,广西柳州人,武汉理工大学硕士研究生,主要从事内燃机燃烧与排放控制研究。