陳睿哲 劉永峰 王龍 張璐 何旭 宋金甌

為分析柴油在CO ?2 /O ?2 氛圍下燃燒的火焰特征，利用光學(xué)定容燃燒室測(cè)試并拍攝了6種不同工況下的柴油燃燒過(guò)程. 基于自編的Python代碼對(duì)火焰圖像進(jìn)行后處理，提取出火焰浮起長(zhǎng)度、紅綠分量比、平均亮度、相關(guān)性系數(shù)、面積變化率和重疊率等特征參數(shù)并進(jìn)行分析. 結(jié)果表明：在空氣和CO ?2 /O ?2 氛圍下，柴油火焰浮起長(zhǎng)度和相關(guān)性均隨燃燒進(jìn)程先增大后減小再增大，平均亮度則先增大后減小，其在空氣下和35% CO ?2 +65% O ?2 氛圍下的峰值分別為210.75 px和138.89 px. 在火焰發(fā)展階段，紅綠分量比保持在0.8～1.2之間，而在火焰熄滅階段，隨著CO ?2 濃度減小和O ?2 濃度增大，紅綠分量比有所減小.與在空氣下燃燒相比，柴油在CO ?2 /O ?2 氛圍下的燃燒火焰形狀更加細(xì)長(zhǎng)，湍流現(xiàn)象更加明顯，火焰浮起長(zhǎng)度縮短，平均亮度下降.

Python； 柴油； CO ?2 /O ?2 氛圍； 火焰特征； 定容燃燒室

TK16 A 2024.015002

Python-based flame characterization of diesel ?combustion in CO ?2 /O ?2 ?atmosphere

CHEN Rui-Zhe ?1 ， LIU Yong-Feng ?1 ， WANG Long ?2 ， ZHANG Lu ?1 ， HE Xu ?3 ， SONG Jin-Ou ?4

（1.Beijing Engineering Research Center of Monitoring for Construction Safety， ?Beijing University of Civil Engineering and Architecture， Beijing 102627， China;

2. School of Chemical Engineering， Sichuan University， Chengdu 610065， China;

3. School of Mechanical Engineering， Beijing Institute of Technology， Beijing 100081， China;

4. State Key Laboratory of Engines， Tianjin University， Tianjin 300072， China）

To analyze the combustion characteristics of diesel fuel in a CO ?2 /O ?2 ?atmosphere， optical constant volume combustion chamber tests were conducted to measure and capture the combustion processes under six different operating conditions. The resultant flame images were subject to post-processing using custom Python code， enabling the extraction of parameters including flame lift-off height， red-green ratio， average luminosity， correlation coefficient， area change rate， and overlap ratio. The findings indicate that， in both air and CO ?2 /O ?2 ?atmospheres， the flame lift-off height and correlation initially increase， then decrease， before experiencing a subsequent increase throughout the combustion process. Conversely， the average luminosity demonstrates an initial increase followed by a decline. Specifically， in the air and 35% CO ?2 ?+ 65% O ?2 ?atmospheres， the peak values of flame lift-off height were measured as 210.75 px and 138.89 px， respectively. During the flame development stage， the red-green ratio remains within the range of 0.8 to 1.2， while in the flame extinction stage， it decreases as the CO ?2 ?concentration decreases and the O ?2 ?concentration increases. Compared to combustion in air， the combustion of diesel fuel in a CO ?2 /O ?2 ?atmosphere displays an elongated flame shape， heightened turbulence， reduced flame lift-off height， and diminished average luminosity.

Python; Diesel; CO ?2 /O ?2 ?atmosphere; Flame characteristics; Constant volume combustion ??chamber

1 引 言

柴油機(jī)是一種高效的能量轉(zhuǎn)換裝置，在許多領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用. 但在地下、水下和礦井等封閉場(chǎng)所，傳統(tǒng)柴油機(jī)會(huì)與人爭(zhēng)奪環(huán)境中的O ?2 ，并釋放出CO ?2 和NO ??x ?等污染物，危害健康 ?［1］ . 為解決此問(wèn)題，液氧固碳閉式循環(huán)柴油機(jī)被廣泛關(guān)注. 其用液氧汽化吸熱將尾氣中的CO ?2 固化成干冰，未固化的CO ?2 與O ?2 混合進(jìn)入氣缸，用CO ?2 的燃燒抑制作用減少O ?2 濃度較高引起的工作粗暴傾向 ?［2］ . 但這種柴油機(jī)的燃燒背景特殊，O ?2 和CO ?2 濃度均比空氣中高得多，因此在變工況時(shí)失火問(wèn)題嚴(yán)重. 為保證其在變工況時(shí)的穩(wěn)定燃燒，急需進(jìn)行柴油在CO ?2 /O ?2 氛圍下燃燒的相關(guān)研究.

火焰特征可以反映燃料燃燒過(guò)程中的溫度和反應(yīng)速率等基本特性，通過(guò)對(duì)火焰特征的分析可以深入了解燃料燃燒的機(jī)理和規(guī)律，為提高燃燒效率、減少污染物排放等提供依據(jù) ?［3］ . 人們?cè)诓煌?dāng)量比、壓力和溫度下對(duì)CO ?2 /O ?2 氛圍燃燒的火焰特征開(kāi)展了大量研究. Zeng等 ?［4］ 在當(dāng)量比0.5～10，壓力1 atm，溫度1400～1800 K下在平焰燃燒器上模擬了煤粉的燃燒，發(fā)現(xiàn)CO ?2 濃度增大導(dǎo)致火焰亮度減小，顏色趨于均勻的暗紅色. 謝非等 ?［5］ 在當(dāng)量比1.0，壓力1 atm，溫度1173 K下通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲取了煤顆粒的火焰圖像，并采用Image J進(jìn)行圖像處理，發(fā)現(xiàn)隨著CO ?2 濃度的增大，火焰亮度減小，且火焰面積先增大后減小. Yang等 ?［6］ 在當(dāng)量比06～1.5，壓力1 atm，溫度300 K下采用自由基化學(xué)發(fā)光光譜分析了CO ?2 濃度對(duì)CH ?4 燃燒火焰的幾何特征進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)隨著CO ?2 濃度的增大，火焰長(zhǎng)度逐漸增大，火焰前沿變窄并且核心反應(yīng)區(qū)向燃燒室出口偏移. Saber等 ?［7］ 在當(dāng)量比0.7～1.5，壓力1 atm，溫度300～700 K下采用粒子圖像測(cè)速法測(cè)量了CH ?4 的燃燒速度并分析了火焰鋒面，發(fā) 現(xiàn)CO ?2 濃度增大使得燃燒速度降低，火焰前沿高度增加. Wang等 ?［8］ 在當(dāng)量比1.0，壓力1 atm，溫度293 K下模擬了CH ?4 和H ?2 的燃燒，發(fā)現(xiàn)CO ?2 的稀釋效應(yīng)使得CH ?4 的馬克斯坦長(zhǎng)度增大，而H ?2 卻相反. 周昊等 ?［9］ 在當(dāng)量比1.0，壓力1 atm，溫度273 K下實(shí)驗(yàn)獲取了CH 3CH 2OH的火焰圖像，并采用Matlab提取出火焰特征參數(shù)，發(fā)現(xiàn)CO ?2 濃度增大，火焰的高度和面積均呈增大趨勢(shì)，而平均亮度呈減小趨勢(shì). 總結(jié)來(lái)看，上述對(duì)于CO ?2 /O ?2 氛圍下燃燒火焰特征的研究大多集中在煤的燃燒和小分子化合物的燃燒，而柴油在CO ?2 /O ?2 氛圍下燃燒的火焰特征卻鮮有報(bào)道.

本文提出一種基于Python的火焰特征提取方法，該方法利用Sobel算子邊緣檢測(cè)算法分析火焰形狀與火焰浮起長(zhǎng)度，采用顏色空間理論計(jì)算火焰紅綠分量比和平均亮度，根據(jù)火焰序列圖像的像素值計(jì)算相關(guān)性系數(shù)、面積變化率和重疊率. 然后，本文利用光學(xué)定容燃燒室試驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試并記錄了6種不同CO ?2 /O ?2 氛圍下的柴油燃燒過(guò)程. 最后，通過(guò)編寫的Python代碼從火焰圖像中提取出火焰特征參數(shù)并進(jìn)行分析.

2 計(jì) 算

隨著數(shù)字圖像處理技術(shù)的發(fā)展，火焰可視化與表征技術(shù)在燃燒過(guò)程監(jiān)測(cè)中被廣泛應(yīng)用. 利用該技術(shù)可以獲取燃燒過(guò)程中的火焰特征信息，有助于對(duì)燃燒狀態(tài)進(jìn)行量化分析，并為今后的燃燒監(jiān)測(cè)和控制研究提供可靠的理論支持. Python作為一種簡(jiǎn)潔清晰的直譯型語(yǔ)言，可用于圖像數(shù)據(jù)的批量處理，且具有高效的處理速度和豐富的庫(kù)資源. 本文通過(guò)編寫Python代碼來(lái)處理火焰圖像以獲取火焰特征，主要包括火焰紅綠分量比、平均亮度、相關(guān)性、面積變化率和面積重疊率.

2.1 紅綠分量比

顏色是火焰的重要特征之一，數(shù)字圖像處理中通常采用顏色空間的方式定量表示彩色圖像中像素的顏色. 顏色空間主要包括RGB、YUV和HIS等空間，其中RGB空間將紅、綠、藍(lán)三種單色作為基本色，認(rèn)為自然界中所有顏色都可通過(guò)這三種基色加權(quán)得到. 通過(guò)前人對(duì)多種火焰R、G、B三個(gè)分量的仿真實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)高亮區(qū)對(duì)應(yīng)到R、G、B三通道分量，其在圖像中的所占比例依次減小，而且紅色占比偏高，藍(lán)色占比極小 ?［10］ ?.因此本文采用紅綠分量比作為火焰的特征參數(shù)之一，其計(jì)算公式為：

z= ?s ???G ???s ???R ????（1）

式中， z 為紅綠分量比； ?s ???G 、 ?s ???R 分別為分割出來(lái)的火焰可疑區(qū)的綠色分量和紅色分量的像素?cái)?shù)目.

2.2 平均亮度

亮度是衡量燃燒火焰劇烈程度、燃燒效率和熱輸出的重要特征參數(shù). 在YUV顏色空間中， Y 通道代表圖像的亮度信息. 因此本文將圖像轉(zhuǎn)換為YUV格式，提取出 Y 通道分量以顯示圖像亮度信息. 為了更好地比較不同的火焰圖像，選取平均亮度作為衡量火焰整體亮度的指標(biāo)，其計(jì)算公式為：

Y ?- = ∑ ?m ?∑ ?n ??Y ???mn ?n ??（2）

式中， ?Y ?- ?為平均亮度； ?Y ??mn ?為 m 行 n 列處的像素值； ?n 為 像素?cái)?shù)目.

2.3 相關(guān)性

在火焰序列圖像中，火焰區(qū)域不僅在空間上具有連續(xù)性，在時(shí)間上還具有相關(guān)性. 火焰相關(guān)性反映了相鄰兩幀圖像的火焰亮度的變化狀況，它可以排除顏色均勻干擾物的影響 ?［11］ . 其計(jì)算公式為：

r= ∑ ?m ?∑ ?n ???A ???mn - A ?- ???B ???mn - B ?- ??????∑ ?m ?∑ ?n ????A ???mn - A ?- ????2 ??∑ ?m ?∑ ?n ????B ???mn - B ?- ????2 ??????（3）

式中， r 為相鄰兩幀圖像的相關(guān)性系數(shù)； ?A ?- ?、 ?B ?- ?分別為相鄰兩幀圖像的亮度均值； ?A ??mn ?、 ?B ??mn ?分別為相鄰兩幀圖像的 m 行 n 列處的像素值.當(dāng) r 達(dá)到最大時(shí)， A 和 B 的相關(guān)性最強(qiáng).

2.4 面積變化率與面積重疊率

隨著燃料的燃燒過(guò)程，每幀圖像中的火焰面積會(huì)出現(xiàn)連續(xù)的震蕩變化，其變化量可用面積變化率來(lái)描述.在對(duì)圖像進(jìn)行處理時(shí)，可用分割出的可疑區(qū)的像素?cái)?shù)目近似表示火焰面積. 因此火焰面積變化率的計(jì)算公式為：

ψ= ??A ??i - A ??i-1 ???A ??i ???（4）

式中， ψ 為面積變化率； ?A ??i ?、 ?A ??i-1 ?分別為相鄰兩幀圖像的火焰可疑區(qū)的像素?cái)?shù)目.

雖然每幀圖像的火焰輪廓、形狀、大小不同，但火焰主體部分保持相對(duì)穩(wěn)定，相鄰兩幀圖像的火焰可疑區(qū)存在重疊，重疊量大小可用火焰面積重疊率來(lái)描述. 其計(jì)算公式為：

η= ?A ′ ?A ??i ???（5）

式中， η 為面積重疊率； ?A ′ 為相鄰兩幀圖像的火焰可疑區(qū)的重疊像素?cái)?shù)目； ?A ??i ?為第二幀圖像的火焰可疑區(qū)的像素?cái)?shù)目.

3 試 驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)平臺(tái)

本研究建立了一個(gè)可視化定容燃燒室試驗(yàn)平臺(tái)，其系統(tǒng)如圖1所示，主要包括定容燃燒室、壓力檢測(cè)系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、尾氣處理系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、高壓共軌系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).

定容燃燒室為圓柱型結(jié)構(gòu)，內(nèi)部直徑為300 mm，內(nèi)部高度為 560 mm ，其可承受的最高溫度為900 K，最大壓力為6 MPa. 其頂部噴油系統(tǒng)的最高噴油壓力為 175 MPa ，噴油器初始噴油壓力為35 MPa；下部安裝了壓力傳感器、溫度傳感器和電熱瓦，可實(shí)現(xiàn)對(duì)燃燒室壓力、溫度的調(diào)整與實(shí)時(shí)監(jiān)控；底部設(shè)有進(jìn)排氣口，排出的氣體通入煙氣收集裝置與過(guò)濾裝置，實(shí)現(xiàn)廢氣的回收與凈化. 彈體外側(cè)裝有可視化窗口與氙燈光源，輔助高速攝像機(jī)拍攝燃料的著火與燃燒過(guò)程，彈體外部還接有制冷裝置對(duì)其進(jìn)行冷卻. 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括依次相連的高速攝影機(jī)、信號(hào)延遲器、電子控制單元和控制計(jì)算機(jī)，其中高速攝影機(jī)幀數(shù)設(shè)置為10 000 幀/s.

3.2 試驗(yàn)方法

首先將高速攝影機(jī)調(diào)整到與可視化窗口合適的高度，并設(shè)置好光圈與拍攝速率.然后啟動(dòng)操作平臺(tái)，對(duì)進(jìn)氣參數(shù)與組分進(jìn)行設(shè)置，再開(kāi)啟電磁閥通氣將前次試驗(yàn)中殘留氣體排出，之后控制操作平臺(tái)逐步地提高燃燒室內(nèi)溫度與壓力直至達(dá)到試驗(yàn)要求. 加熱溫度間隔為50 K. 加熱開(kāi)始后，打開(kāi)制冷裝置對(duì)外部組件進(jìn)行冷卻，同時(shí)將已精確配比的氣體通過(guò)流量控制閥通入燃燒室，使燃燒室內(nèi)背景氣體達(dá)到所需工況. 噴油系統(tǒng)設(shè)置初始加壓間隔為10 MPa，當(dāng)軌壓達(dá)到100 MPa后將加壓間隔調(diào)整為5 MPa，直至軌壓升至120 MPa. 當(dāng)噴油壓力與燃燒室環(huán)境達(dá)到要求后開(kāi)始噴油，高速攝影機(jī)將完整地記錄下燃料的燃燒過(guò)程，并將拍攝的圖像傳輸給控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行后處理. 根據(jù)液氧固碳閉式循環(huán)柴油機(jī)的實(shí)際工況，本試驗(yàn)選取背景氣體為50% CO ?2 +50% O ?2 、47% CO ?2 +53% O ?2 、43% CO ?2 +57% O ?2 、39% CO ?2 +61% O ?2 和35% CO ?2 +65% O ?2 ，并加入空氣作為對(duì)照組，每種工況均進(jìn)行20次試驗(yàn)以減小誤差，具體的試驗(yàn)參數(shù)如表1所示.

4 結(jié)果與討論

4.1 火焰形狀與火焰浮起長(zhǎng)度

圖2為不同工況下拍攝的火焰?zhèn)鞑ミM(jìn)程的火焰邊緣檢測(cè)圖. 該圖像基于Sobel算子邊緣檢測(cè)算法得到，包含了更多的火焰邊緣特征，可以更好地比較不同工況下柴油燃燒火焰形狀的異同. 與空氣下燃燒相比，CO ?2 /O ?2 氛圍下的燃燒火焰邊緣出現(xiàn)了更明顯的分岔與波動(dòng). 隨著CO ?2 濃度的增大和O ?2 濃度的減小，這種現(xiàn)象愈發(fā)突出. Watanabe等 ?［12］ 研究了CH ?4 在空氣和CO ?2 /O ?2 氛圍下的燃燒火焰，同樣發(fā)現(xiàn)了在CO ?2 /O ?2 氛圍下火焰更容易出現(xiàn)湍流現(xiàn)象. 這是由于CO ?2 的添加阻礙了燃料與O ?2 間的反應(yīng)，降低了燃燒溫度，減慢了火焰?zhèn)鞑ニ俣龋沟没鹧媲把馗菀资艿綒饬鞯炔环€(wěn)定因素的影響，從而形成更多的火焰尖端和凹陷. 此外，由于CO ?2 的密度高于O ?2 和N ?2 ，當(dāng)CO ?2 與熱氣流混合時(shí)會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的氣體流動(dòng)，從而促進(jìn)火焰的湍流現(xiàn)象. 在空氣氛圍下，柴油進(jìn)入燃燒室后，熱氣流被卷吸進(jìn)入油束中，火焰隨著空氣流動(dòng)逐漸向外圍擴(kuò)展，并在錐形柴油射流外圍形成薄火焰鋒，并且出現(xiàn)火焰回溯現(xiàn)象，這與Curran等 ?［13］ 提出的NO ??x ?和碳煙排放模型相似. 而CO ?2 /O ?2 氛圍下的火焰結(jié)構(gòu)與空氣氛圍下有所不同，由于反應(yīng)物中缺少N ?2 ，因此在火焰邊緣檢測(cè)圖像中沒(méi)有NO ??x ?生成的跡象. 此外，N ?2 在燃燒過(guò)程中起到吸收和擴(kuò)散熱量的作用，維持火焰形狀. 而在CO ?2 /O ?2 氛圍下，缺少N ?2 的支撐，火焰形狀變得更加細(xì)長(zhǎng) ?［14］ . 對(duì)比不同工況，空氣氛圍下的著火延遲時(shí)間最長(zhǎng)，而在CO ?2 /O ?2 氛圍下，隨著CO ?2 濃度增大和O ?2 濃度減小，著火延遲時(shí)間逐漸增大. 這是CO ?2 的燃燒阻礙和O ?2 的燃燒促進(jìn)作用共同導(dǎo)致的.

為了更好地分析不同工況下柴油的燃燒火焰特征，我們從20次試驗(yàn)圖像中提取出火焰浮起長(zhǎng)度并計(jì)算其平均值如圖3所示. 通過(guò)與手動(dòng)測(cè)量的火焰浮起長(zhǎng)度對(duì)比，發(fā)現(xiàn)最大誤差為2.37%，這表明本文提出的方法可用于提取火焰圖像的火焰浮起長(zhǎng)度. 對(duì)比不同工況，發(fā)現(xiàn)在CO ?2 /O ?2 氛圍下的火焰浮起長(zhǎng)度比空氣下更短，這是由于高濃度的O ?2 促進(jìn)燃燒，產(chǎn)生了大量熱量和氣體，這些熱量和氣體向周圍擴(kuò)散產(chǎn)生了火焰回溯現(xiàn)象，從而導(dǎo)致火焰浮起長(zhǎng)度縮短. 隨著CO ?2 濃度的增大和O ?2 濃度的減小，火焰浮起長(zhǎng)度逐漸增大，這是由于CO ?2 的添加抑制了燃燒. 此外，每種工況下的火焰浮起長(zhǎng)度均隨燃燒進(jìn)程呈現(xiàn)先增大再減小最后再增大的規(guī)律. 這是由于柴油在燃燒初期燃燒速度快，火焰膨脹產(chǎn)生的高壓推動(dòng)火焰向下擴(kuò)展，火焰浮起長(zhǎng)度增大. 隨著燃燒進(jìn)一步發(fā)展，燃料與氧化劑的混合物濃度逐漸降低，燃燒速度減緩，火焰膨脹產(chǎn)生的高壓減小，火焰回溯現(xiàn)象出現(xiàn)，使得火焰浮起長(zhǎng)度減小. 而在燃燒的后期燃料減少，火焰回溯現(xiàn)象減弱，導(dǎo)致火焰浮起長(zhǎng)度增大. Yang等 ?［15］ 和李國(guó)棟等 ?［16］ 的研究表明，CO ?2 的添加會(huì)影響CH ?4 和煤粉的火焰結(jié)構(gòu)，使火焰核心反應(yīng)區(qū)位置逐漸靠近燃燒器出口，即火焰浮起長(zhǎng)度逐漸增大. 這一發(fā)現(xiàn)與本文中對(duì)柴油火焰的研究結(jié)果相似.

4.2 紅綠分量比

對(duì)20次試驗(yàn)獲取的柴油燃燒火焰圖像進(jìn)行紅、綠、藍(lán)三色分離，并根據(jù)式（1）計(jì)算出不同時(shí)間下火焰的紅綠分量比平均值，變化曲線如圖4所示. 在火焰發(fā)展階段，紅綠分量比在不同工況下基本相同，且隨著燃燒過(guò)程的發(fā)展沒(méi)有明顯變化，其數(shù)值基本保持在0.8～1.2之間. 這與韓鋮惠 ?［17］ 得到的柴油在白天的燃燒火焰紅綠分量比相近，進(jìn)一步驗(yàn)證了本文提出的紅綠分量比提取方法的可行性. 根據(jù)紅綠分量比數(shù)值來(lái)看，火焰圖像的紅色與綠色通道分量值非常接近，表明火焰的主要色調(diào)為紅色與綠色的混合色即黃色. 在火焰熄滅階段，隨著CO ?2 濃度減小和O ?2 濃度增大， 紅綠分量比有所減小，即火焰顏色變淺. 這是由于環(huán)境中剩余的 O ?2 濃度較高時(shí)，燃燒產(chǎn)物生成有所減少，從而導(dǎo)致火焰中可見(jiàn)光吸收和散射減弱，使得火焰顏色變淺.

4.3 火焰亮度

經(jīng)過(guò)偽色處理的圖像可以將不同波長(zhǎng)的光線轉(zhuǎn)換成不同顏色，更好地展示火焰的亮度分布. 圖5所示為火焰?zhèn)鞑ミM(jìn)程的偽色圖像， 火焰內(nèi)部的大部分區(qū)域?yàn)榧t色，火焰邊緣附近為淡藍(lán)色，且隨著燃燒進(jìn)程，淡藍(lán)色邊緣逐漸增大. 這是由于火焰內(nèi)部O ?2 供應(yīng)不足，燃燒不充分，火焰中存在較多未燃燒的碳?xì)浠衔铮?這些物質(zhì)發(fā)出的光線波長(zhǎng)較長(zhǎng)，因此呈現(xiàn)出大面積的紅色; 而火焰邊緣反應(yīng)相對(duì)完全，火焰中化合物較少，產(chǎn)生的光線波長(zhǎng)較短，因此呈現(xiàn)出藍(lán)色 ?［18］ . 此外，火焰外圍氣體受熱膨脹，向火焰中心流動(dòng)以替換被消耗的O ?2 ，因此火焰外圍形成逐漸加強(qiáng)的對(duì)流層，導(dǎo)致更多冷空氣吸入，降低了火焰外圍溫度. 對(duì)比不同工況，隨著CO ?2 濃度提高和O ?2 濃度降低，可以明顯看出火焰外圍的紅色霧狀物增多，分析其為未燃燒的碳?xì)浠衔?

為定量描述火焰亮度，孫繼平等 ?［19］ 采用紅外攝像機(jī)對(duì)火焰進(jìn)行了拍攝，并通過(guò)灰度值來(lái)表征火焰亮度.而這種方法并不能完全反應(yīng)火焰的整體亮度，且受到設(shè)備的限制. 本文采用的火焰亮度表征方法是從真實(shí)火焰圖像提取亮度信息，再根據(jù)式（2）計(jì)算不同工況的平均亮度，并對(duì)20次試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了平均，所得結(jié)果隨時(shí)間變化如圖6a所示. 不同工況下的火焰平均亮度變化曲線均為“單峰”狀，即平均亮度隨燃燒進(jìn)程先增大后減小. 由于CO ?2 /O ?2 氛圍下含有大量CO ?2 ，它會(huì)吸收火焰產(chǎn)生的熱輻射，減弱火焰平均亮度，而O ?2 和N ?2 通常不會(huì)吸收熱輻射，因此空氣下的平均亮度峰值最大，其數(shù)值約為210.75 px. 對(duì)比CO ?2 /O ?2 氛圍和空氣氛圍下的燃燒，可知CO ?2 /O ?2 氛圍下的火焰平均亮度有顯著波動(dòng)，這是該環(huán)境的湍流現(xiàn)象引起的，驗(yàn)證了前文得出的“CO ?2 /O ?2 氛圍下火焰更容易出現(xiàn)湍流現(xiàn)象”. 此外，CO ?2 /O ?2 氛圍下的火焰平均亮度峰值比空氣氛圍下的火焰平均亮度峰值出現(xiàn)得更早，在CO ?2 /O ?2 氛圍下峰值大約出現(xiàn)在1.1 ms處，而在空氣氛圍下峰值大約出現(xiàn)在2.1 ms處. 這是由于高濃度O ?2 促進(jìn)了燃燒，高濃度CO ?2 抑制了燃燒，但O ?2 促進(jìn)作用強(qiáng)于CO ?2 抑制作用，使其燃燒反應(yīng)速率加快，導(dǎo)致了平均亮度峰值的提前出現(xiàn). 由于不同工況的燃燒速度不同，因此對(duì)比同時(shí)刻平均亮度來(lái)反映不同工況的火焰亮度是行不通的. 為此本文計(jì)算了不同工況的火焰累積亮度，如圖6b所示. 空氣氛圍下的累積亮度約為2.54×10 ?7 px，遠(yuǎn)低于CO ?2 /O ?2 氛圍的累積亮度. 隨著O ?2 濃度從50%增加到57%，累積亮度逐漸從3.75×10 ?7 px增加到3.78×10 ?7 ?px，表明燃燒反應(yīng)越來(lái)越劇烈. 而O ?2 濃度從57%增加到65%，累積亮度卻顯著減小，從3.78×10 ?7 ?px減小到3.58×10 ?7 ?px. 這是由于過(guò)高O ?2 濃度環(huán)境下燃燒產(chǎn)生了過(guò)量的CO ?2 和H ?2 O等產(chǎn)物，這些產(chǎn)物會(huì)吸收并散射火焰中的光線 ?［20］ . ?此外由于高濃度O ?2 環(huán)境下燃燒時(shí)間縮短，導(dǎo)致拍攝的火焰圖像幀數(shù)減少，火焰累積亮度大幅減小.

4.4 火焰相關(guān)性

火焰發(fā)展具有流動(dòng)性，而單幀圖像提取的火焰特征忽略了火焰動(dòng)態(tài)信息，難以反映火焰真實(shí)發(fā)展. 火焰序列圖像的相關(guān)性可反映動(dòng)態(tài)特征，依據(jù)相鄰兩幀火焰圖像的像素值計(jì)算得到相關(guān)性系數(shù)，其隨時(shí)間變化如圖7所示. 火焰相關(guān)性系數(shù)呈先增大再減小最后再增大的趨勢(shì). 這是因?yàn)樵谌紵跗?，火焰迅速膨脹并釋放大量熱量，因此相關(guān)性系數(shù)逐漸增大. 燃燒進(jìn)入穩(wěn)態(tài)階段后，火焰顏色、亮度等開(kāi)始穩(wěn)定，相關(guān)性系數(shù)也逐漸減小. 最后燃燒進(jìn)入尾聲，火焰逐漸消失，其顏色、亮度等隨之減弱，相關(guān)性系數(shù)有所增大. 與火焰平均亮度變化類似，O ?2 和CO ?2 的共同作用導(dǎo)致CO ?2 /O ?2 氛圍下的火焰相關(guān)性系數(shù)峰值出現(xiàn)提前. 在CO ?2 /O ?2 和空氣氛圍下，火焰的相關(guān)性系數(shù)分別在1.6 ms和2.1 ms之后開(kāi)始逐漸減小，表明該階段的燃燒逐漸趨于穩(wěn)定，燃燒效率逐漸提高.

4.5 面積變化率與面積重疊率

根據(jù)式（4）所得不同時(shí)刻火焰面積變化率如 圖8a 所示. 對(duì)于CO ?2 /O ?2 氛圍，火焰面積變化率從0.6 ms到2.1 ms幾乎均保持0～1不變，此后迅速增大，在2.6 ms處達(dá)到峰值后有所減小. 這是由于0.6～2.1 ms為火焰向外擴(kuò)展階段，后一幀火焰總比前一幀火焰面積大，并且面積差值小于后一幀圖像火焰面積，因此所得的0.6～2.1 ms火焰面積變化率保持在0～1范圍內(nèi). 從圖2可知，2.1 ms后的每幀圖像均比前一幀圖像火焰面積小，其中2.1 ms與2.6 ms兩幀圖像火焰面積變化量與后一幀圖像火焰面積比值達(dá)到最大. 在2.6～3.1 ms時(shí)間范圍內(nèi)，燃燒速度減慢，前后兩幀火焰面積變化量與后一幀圖像火焰面積比值有所減小. 值得說(shuō)明的是，65% O ?2 +35% CO ?2 氛圍下的火焰面積變化率沒(méi)有在3.1 ms處減小. 這是由在3.1 ms時(shí)，火焰已經(jīng)基本熄滅，檢測(cè)出的火焰可疑區(qū)像素?cái)?shù)很小，因此與其他工況相比面積變化率較大. 對(duì)于空氣氛圍，火焰面積變化率從0.6～2.6 ms始終保持在0～1范圍，之后才逐漸增加. 這是由于空氣中O ?2 濃度較小，燃燒速度緩慢導(dǎo)致的. 此外，在火焰逐漸熄滅過(guò)程中，隨著CO ?2 濃度增大和O ?2 濃度減小，火焰面積變化率總體呈減小趨勢(shì). ?但火焰熄滅過(guò)程受燃燒速度和氣體流動(dòng)等諸多因素影響，受本研究限制還無(wú)法確定具體原因，有待進(jìn)一步研究.

根據(jù)式（5）所得不同時(shí)刻火焰面積重疊率如圖8b所示. 對(duì)于所有工況，火焰面積重疊率均隨燃燒進(jìn)程從0迅速增加至1，之后維持穩(wěn)定. 由于第一幀火焰圖像尚未燃燒，因此前兩幀圖像面積重疊率為0. 隨著火焰擴(kuò)展，后一幀圖像火焰面積總是大于前一幀火焰面積，直至1.6 ms和2.1 ms，CO ?2 /O ?2 氛圍和空氣氛圍下的火焰面積分別達(dá)到峰值. 因此火焰重疊面積總是小于第二幀火焰面積，導(dǎo)致面積重疊率落在0～1之間. 隨著燃料和氧化物消耗，火焰逐漸縮小，最終熄滅. 因此，后續(xù)時(shí)刻后一幀圖像火焰面積總小于前一幀火焰面積. 此時(shí)，兩幀圖像火焰重疊面積總是約等于第二幀圖像火焰面積，因而所得面積重疊率維持在1附近. 對(duì)比不同CO ?2 /O ?2 濃度下的面積重疊率，在火焰擴(kuò)展過(guò)程中，隨著CO ?2 濃度增大和O ?2 濃度減小，面積重疊率隨時(shí)間增加而增大的速率逐漸減小. 這表明CO ?2 /O ?2 濃度對(duì)火焰擴(kuò)展速度和面積重疊率的增長(zhǎng)速率具有重要的影響.

5 結(jié) 論

（1） 本文提出的基于Python的火焰特征提取方法能夠用于分析燃燒火焰的特征.

（2） 在空氣和CO ?2 /O ?2 氛圍下，柴油的火焰浮起長(zhǎng)度和火焰相關(guān)性均隨著燃燒進(jìn)程呈現(xiàn)先增大后減小再增大的趨勢(shì). 而平均亮度則先增大后減小，其在空氣下和35% CO ?2 /65% O ?2 氛圍下的峰值分別為210.75 px和138.89 px. 在火焰發(fā)展階段，紅綠分量比保持在0.8～1.2之間; 而在火焰熄滅階段，隨著CO ?2 濃度減小和O ?2 濃度增大，紅綠分量比有所減小.

（3） 與在空氣下燃燒相比，柴油在CO ?2 /O ?2 氛圍下的火焰形狀更加細(xì)長(zhǎng)，湍流現(xiàn)象更加明顯，火焰浮起長(zhǎng)度縮短，平均亮度下降，相關(guān)性系數(shù)峰值和平均亮度峰值出現(xiàn)時(shí)間提前了約0.5 ms. 隨著CO ?2 濃度的增大和O ?2 濃度的減小，柴油燃燒火焰浮起長(zhǎng)度和著火延遲時(shí)間均呈現(xiàn)增大趨勢(shì).

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收稿日期： ?2023-05-24

基金項(xiàng)目： ??國(guó)家自然科學(xué)基金（51976007）； 先進(jìn)內(nèi)燃動(dòng)力全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放研究項(xiàng)目（K2023-04）

作者簡(jiǎn)介： ??陳睿哲（1999-）， 男， 湖北紅安人， 碩士研究生， 主要研究領(lǐng)域?yàn)閮?nèi)燃機(jī)燃燒.

通訊作者： ?劉永峰. E-mail： liuyongfeng@bucea.edu.cn;王龍.E-mail： longwangbeijing@163.com