基于MATLAB圖像處理的大缸徑定容彈中甲烷/空氣射流火焰?zhèn)鞑ヌ匦?/h1>
2020-06-06 06:38:46許曉晨具德浩呂興才
上海交通大學(xué)學(xué)報(bào) 2020年5期
許曉晨，李 翔,2，黃 忠，具德浩，呂興才，黃 震
(1. 上海交通大學(xué) 動(dòng)力機(jī)械與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200240；2. 中國(guó)船舶重工集團(tuán)有限公司第七一一研究所， 上海 201108)
近幾年來(lái)，隨著人們對(duì)環(huán)境保護(hù)問(wèn)題的不斷重視，國(guó)際上針對(duì)船用發(fā)動(dòng)機(jī)排放控制所制定的相應(yīng)法規(guī)也越來(lái)越嚴(yán)格，迫使傳統(tǒng)的化石燃料發(fā)動(dòng)機(jī)亟需突破現(xiàn)有的技術(shù)以達(dá)到更高標(biāo)準(zhǔn)的排放要求.天然氣作為傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的清潔替代燃料具有諸多優(yōu)勢(shì)，在滿足一定的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性基礎(chǔ)上，天然氣還能達(dá)到較低的氮氧化物(NOx)和二氧化碳(CO2)排放要求.但天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)大多以火花點(diǎn)燃的燃燒方式為主，其單點(diǎn)著火后火焰?zhèn)鞑ニ俣染徛?，這是制約其廣泛應(yīng)用的主要原因之一.天然氣的主要成分甲烷的最大層流火焰的傳播速度為33.8 cm/s，僅為汽油-空氣層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊?/3[1].隨著氣缸直徑的增加，這一問(wèn)題愈加突出.此外，增大空燃比，實(shí)現(xiàn)稀薄燃燒是降低NOx排放、提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率的有效途徑，但隨著過(guò)量空氣系數(shù)的增加，稀燃極限又受制于點(diǎn)火系統(tǒng)能否可靠地點(diǎn)燃甲烷/空氣混合物.
采用預(yù)燃室式燃燒系統(tǒng)已經(jīng)成為大缸徑天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒系統(tǒng)的主要發(fā)展趨勢(shì)[2].選擇帶有預(yù)燃室的天然氣射流引燃系統(tǒng)的目的在于提供相比于傳統(tǒng)火花塞點(diǎn)火更高的點(diǎn)火能量，提高火焰的傳播速度.預(yù)燃室的參數(shù)設(shè)計(jì)及初始條件作為關(guān)鍵因素，對(duì)射流火焰的傳播特性有較大的影響.對(duì)此，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者已經(jīng)開(kāi)展了大量的研究工作.Gholamisheeri等[3]在湍流射流引燃系統(tǒng)中分析了射流火焰經(jīng)過(guò)單通道噴射點(diǎn)火的燃燒過(guò)程，比較模擬結(jié)果與快速壓縮機(jī)中的高速射流火焰圖像，研究通道尺寸和空燃比對(duì)射流火焰速度和燃燒性能的影響.Salahi等[4]在預(yù)燃室式單缸機(jī)中對(duì)燃油反應(yīng)活性控制壓燃技術(shù)(RCCI)的射流流場(chǎng)和燃燒過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬.研究結(jié)果表明：使用預(yù)燃室可以擴(kuò)展RCCI發(fā)動(dòng)機(jī)的工作范圍，即在進(jìn)氣溫度降低50 K時(shí)也能保證穩(wěn)定著火.李樹(shù)生等[5]設(shè)計(jì)了小容積預(yù)燃室加淺盆形主燃室的燃燒系統(tǒng)，其研究結(jié)果表明：增大主燃室與預(yù)燃室間連接通道的夾角有利于加快燃燒室徑向火焰的傳播速度，且可以獲得較好的抗爆性能及排放性能.王博遠(yuǎn)等[6]設(shè)計(jì)了用于射流點(diǎn)火的內(nèi)置式半球型四孔預(yù)燃室，利用可視化快速壓縮機(jī)(RCM)進(jìn)行點(diǎn)火燃燒試驗(yàn)研究.研究表明：相比于傳統(tǒng)火花點(diǎn)火，預(yù)燃室式射流點(diǎn)火的滯燃期和燃燒持續(xù)期有所縮短；在大負(fù)荷工況下，滯燃期和燃燒持續(xù)期均縮短了約55%，最高燃燒壓力和最大累計(jì)放熱量分別增大7%和10%.
上述研究已從多個(gè)角度基于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)或仿真分析，評(píng)價(jià)了預(yù)燃室對(duì)天然氣火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?，其目的都在于找到改善天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒性能的技術(shù)途徑.然而，國(guó)內(nèi)外的研究大多集中于利用RCM或單缸機(jī)進(jìn)行實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)工況的實(shí)驗(yàn)研究.這種實(shí)驗(yàn)方法雖然可以獲得較高的溫度和壓力，但大多局限于對(duì)小缸徑(d<100 mm)發(fā)動(dòng)機(jī)的研究，幾乎沒(méi)有利用大缸徑RCM或單缸機(jī)進(jìn)行射流引燃的可視化實(shí)驗(yàn).這是由于要將RCM的缸徑設(shè)計(jì)為約300 mm的尺寸幾乎是不可能的.因此，為了觀察并分析大缸徑天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)射流火焰的演變過(guò)程，基于定容燃燒彈并輔助使用高速攝影儀成為了較為可行的實(shí)驗(yàn)方案.本文旨在研究火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懸蛩?過(guò)量空氣系數(shù)、初始?jí)毫?對(duì)火焰演變規(guī)律及瞬時(shí)壓力場(chǎng)的影響；在預(yù)燃室式的大缸徑定容彈中進(jìn)行甲烷/空氣射流引燃實(shí)驗(yàn)；分析瞬時(shí)壓力變化曲線、火焰面積變化曲線及預(yù)處理后的火焰?zhèn)鞑D像，為帶有預(yù)燃室的大缸徑天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)射流火焰的發(fā)展過(guò)程提供一定的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)和理論支持.
1 天然氣射流引燃系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)方法
所用燃燒系統(tǒng)中，主燃室與預(yù)燃室之間通過(guò)均勻布置的6個(gè)噴孔相連接，其內(nèi)徑為2.9 mm，總面積為39.63 mm2.當(dāng)點(diǎn)火信號(hào)觸發(fā)火花塞跳火后，預(yù)燃室中的預(yù)混氣體迅速被點(diǎn)燃，壓力和溫度急劇升高，以高速射流火焰的方式通過(guò)6個(gè)噴孔噴入主燃室，迅速點(diǎn)燃主燃室內(nèi)火花塞周?chē)幕旌蠚怏w.射流的作用使主燃室內(nèi)的湍流強(qiáng)度顯著增加，進(jìn)而提供多個(gè)空間分布的點(diǎn)火源.同時(shí)，射流火焰的燃燒產(chǎn)物中含有一定的活性自由基[7]，促進(jìn)了主燃室中甲烷/空氣預(yù)混氣體的快速燃燒.
預(yù)燃室燃燒的系統(tǒng)模型如圖1所示.預(yù)燃室的容積為15 cm3，安裝于定容彈彈體的正上方；火花塞(冠軍FB77WPCC)安置于頂部偏向左方位置；定容彈彈體的直徑為300 mm，最大設(shè)計(jì)工作壓力為6 MPa；兩側(cè)石英玻璃視窗用于觀察和拍攝高速射流火焰；采用的高速攝影機(jī)為Photron FASTCAM-ultima APX，所攝圖像為 1 024 像素×1 024 像素，后續(xù)會(huì)增加微通道板(MCP)圖像增強(qiáng)器附件，可提供高幀率成像所需的超高輸出亮度，增強(qiáng)分辨率及靈敏度，進(jìn)而獲得更為清晰的高質(zhì)量圖像.實(shí)驗(yàn)首先將甲烷氣體通入容彈中，使其與空氣充分混合均勻，并通過(guò)量程為0～2 MPa的數(shù)字壓力表觀察其預(yù)混壓力，確保精確配氣；使用壓阻式壓力傳感器采集實(shí)驗(yàn)過(guò)程中容彈內(nèi)部的瞬時(shí)壓力，其測(cè)量范圍為0～20 MPa，測(cè)量精度為±0.5%FS(FS為滿量程).
僅通過(guò)改變初始過(guò)量空氣系數(shù)(λ=0.8，1.0，1.2)或初始?jí)毫?p=0.6，1.0，1.5 MPa)研究初始條件對(duì)甲烷/空氣預(yù)混合氣的火焰發(fā)展過(guò)程及燃燒情況的影響，設(shè)所有實(shí)驗(yàn)的初始溫度(T)均為300 K.值得注意的是主燃室和預(yù)燃室中的λ始終保持一致.具體的實(shí)驗(yàn)方案如表1所示.
1—點(diǎn)火線圈, 2—石英玻璃視窗, 3—火花塞, 4—預(yù)燃室, 5—連接通道圖1 預(yù)燃室式射流火焰定容燃燒系統(tǒng)示意圖Fig.1 Diagram of constant volume combustion system of pre-chamber jet flame
實(shí)驗(yàn)工況p/MPaT/Kλ10.63000.820.63001.030.63001.241.03000.851.03001.061.03001.271.53000.881.53001.091.53001.2
2 射流火焰圖像處理方法研究
基于不同工況下的每一組實(shí)驗(yàn)均需保存火焰從開(kāi)始形成、發(fā)展到穩(wěn)定狀態(tài)的圖片，約有120張.而每一工況條件至少做5組重復(fù)性實(shí)驗(yàn)以確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，這樣所記錄的火焰圖像數(shù)量巨大.利用MATLAB圖像處理軟件，選擇合適的圖像處理方法，批量處理射流火焰圖像、提取特征參數(shù)以及生成計(jì)算結(jié)果的參數(shù)列表，為后續(xù)的量化分析提供必要的理論基礎(chǔ).
2.1 射流火焰圖像處理流程
獲取射流火焰的傳播特征時(shí)，以火焰面積這一特征參數(shù)表征火焰的傳播發(fā)展情況較為合理，如何高效率、高精度地提取研究所關(guān)注的特征信息是至為關(guān)鍵的一點(diǎn).形態(tài)學(xué)是提取圖像特征的有力工具，組合使用二值圖像的腐蝕、膨脹、開(kāi)閉運(yùn)算、復(fù)原重構(gòu)等基本操作，以達(dá)到準(zhǔn)確地提取目標(biāo)計(jì)算區(qū)域的目的.根據(jù)上述火焰圖像的處理步驟，火焰圖像的處理流程如圖2所示.
圖2 火焰圖像處理流程Fig.2 Flame image processing procedure
2.2 圖像處理算法的對(duì)比分析
受圖像采集方法、實(shí)驗(yàn)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)設(shè)備等影響，實(shí)際獲取的射流火焰圖像均會(huì)受到不同程度的干擾.因此，需要通過(guò)圖像預(yù)處理方法提高圖像質(zhì)量以提取關(guān)鍵參數(shù).
調(diào)節(jié)原始圖像的亮度與對(duì)比度的方法有兩種：① 通過(guò)美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院網(wǎng)站(http:∥imagej.nih.gov/ij/)下載的圖像處理軟件ImageJ可以獲得RGB圖像的亮度值區(qū)間，而后運(yùn)用MATLAB軟件中的imadjust函數(shù)求得原圖像的R、G、B分量并映射到所求圖像中，獲得新的亮度值；② 直接配合使用imadjust函數(shù)與stretchlim函數(shù)，自動(dòng)提高圖像的對(duì)比度.對(duì)所有由高速攝影儀記錄的火焰圖像均進(jìn)行亮度和對(duì)比度的預(yù)處理.當(dāng)初始條件為p=0.6 MPa，λ=0.8時(shí)，一組處理后的圖像如圖3所示.其中，t為射流火焰持續(xù)時(shí)間(取開(kāi)始出現(xiàn)射流火焰的第1張圖片作為時(shí)間零點(diǎn)).由圖3可以知道，對(duì)比相同時(shí)間下的兩種圖像處理方法的結(jié)果，經(jīng)過(guò) stretchlim 函數(shù)處理后的圖像整體和局部的色度及亮度等級(jí)的分布梯度較大，并且與實(shí)際火焰發(fā)展形態(tài)特征的一致性較高，便于后續(xù)圖像的灰度化處理，故下文將選用此函數(shù)處理圖像.
圖像的二值化處理有利于進(jìn)一步進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，通過(guò)減少數(shù)據(jù)量使圖像變得簡(jiǎn)單，凸顯感興趣的目標(biāo).閾值化圖像分割是一種最基本的圖像分割方法.其基本原理是選取一個(gè)或多個(gè)處于灰度圖像范圍中的灰度閾值，而后將圖像中各像素的灰度值與該閾值進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果將圖像中的對(duì)應(yīng)像素分成兩類(lèi)或多類(lèi)，從而把圖像劃分成互不重疊的區(qū)域集合，達(dá)成分割圖像的目的[8].選取閾值是灰度圖像二值化最重要的步驟，不同的閾值獲取方法獲得的二值化圖像差別較大.所以，不同的閾值化圖像分割方法在一定程度上決定了所編寫(xiě)的圖像處理程序能否高精度、較準(zhǔn)確地反應(yīng)實(shí)際圖像.常用的分割方法有：直方圖雙峰法、最大類(lèi)間方差法、迭代法等.由于采用直方圖雙峰法需要依據(jù)圖像的直方圖，通過(guò)對(duì)直方圖進(jìn)行定量分析來(lái)確定閾值，不便于處理數(shù)量龐大的圖像.此外，不是所有形態(tài)的火焰圖像均能呈現(xiàn)出明顯的兩個(gè)波峰與一個(gè)波谷，導(dǎo)致該方法的交互性也較差，且需通過(guò)人工參與交互設(shè)定閾值，這樣會(huì)導(dǎo)致圖像精度較低，所以直接排除這種閾值分割方法，只采用迭代法和最大類(lèi)間方差法對(duì)所有火焰圖像批處理.值得一提的是，采用迭代法時(shí)，某些圖像經(jīng)過(guò)反復(fù)迭代后，其開(kāi)關(guān)函數(shù)依舊在變化，故設(shè)定迭代上限為50次.采用迭代法(ItM)和最大類(lèi)間方差法(Otsu)的圖像處理結(jié)果如圖3所示.由圖3可知，Otsu可以更好地反映原始圖像的火焰形態(tài).
圖3 火焰圖像的對(duì)比度調(diào)節(jié)、灰度化、二值化Fig.3 Contrast adjustment, grayscale and binarization for flame images
甲烷的火焰內(nèi)部存在明顯的顏色差異，這主要是由于甲烷在燃燒過(guò)程中所產(chǎn)生的每一種中間產(chǎn)物都有特定的發(fā)射光譜[9].原始火焰圖像的顏色差異性導(dǎo)致圖像經(jīng)過(guò)二值化處理后，射流火焰目標(biāo)區(qū)域存在較強(qiáng)的噪聲，而火焰內(nèi)部出現(xiàn)空隙.這就需要進(jìn)一步去除火焰周?chē)铝⒃肼朁c(diǎn)及填充內(nèi)部孔隙.應(yīng)用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)對(duì)二值化圖像進(jìn)行反復(fù)膨脹、腐蝕以及邊緣恢復(fù)等操作，獲得的處理結(jié)果與由圖像疊加法獲得的處理結(jié)果對(duì)比如圖4所示(p=0.6 MPa，λ=1.0，t=24 ms).由于火焰向前發(fā)展階段，后一張火焰圖像一定包含了前一張火焰圖像的目標(biāo)區(qū)域，所以基于這一點(diǎn)應(yīng)用imadd函數(shù)進(jìn)行圖像的疊加操作.無(wú)論是膨脹、腐蝕還是圖像疊加操作，其目的都在于將原本非連通的區(qū)域連通以進(jìn)行孔隙填充，而去除孤立噪聲點(diǎn)則是為了通過(guò)標(biāo)記連通區(qū)域，選取連通區(qū)域面積閾值以去除火焰輪廓邊緣噪聲點(diǎn)的干擾.由圖4可知，反復(fù)的膨脹、腐蝕會(huì)在一定程度上使得火焰邊緣的特征失真，對(duì)后續(xù)的火焰關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算帶來(lái)誤差，因此選取圖像疊加的方式更為合理.
對(duì)火焰邊緣輪廓的高精度提取有利于分析不同條件下射流火焰的發(fā)展形態(tài).采用5種常用的邊緣檢測(cè)算法，旨在找出能夠準(zhǔn)確檢測(cè)和識(shí)別火焰封面形狀的方法.Sobel算子、Prewitt算子、Robert算子均為梯度算子，基于圖像亮度一階導(dǎo)數(shù)的不連續(xù)性進(jìn)行邊緣檢測(cè)；Log算子結(jié)合了Gaussian濾波和Laplacian邊緣檢測(cè)，考慮了5像素×5像素的鄰域處理，是一種改進(jìn)型Laplacian算子；Canny算子是基于信噪比與定位之乘積的最優(yōu)逼近算子進(jìn)行檢測(cè)，其檢測(cè)步驟分為：① 利用Gaussian濾波器平滑圖像；② 計(jì)算梯度的幅值和方向；③ 對(duì)梯度幅值進(jìn)行非極大值抑制；④ 用雙閾值算法檢測(cè)和連接邊緣.不同工況下，不同發(fā)展程度的火焰形態(tài)的差異性較大，所以選取幾組具有代表性的火焰圖像進(jìn)行對(duì)比觀察.采用上述5種圖像邊緣提取算子提取出的射流火焰邊緣特征如圖5所示.由圖5可知，梯度算子(Sobel、Perwitt和Robert算子)的邊緣檢測(cè)結(jié)果區(qū)別較?。籐og算子的抗噪性較差，生成了較多假邊緣集；Canny算子的圖像邊緣最完整，且其光滑性、連續(xù)性較好.綜上所述，選取Canny算子檢測(cè)火焰輪廓.
p=0.6 MPa，λ=1.0，t=24 ms圖4 二值化圖像的去噪方法Fig.4 Noise removal methods for binary images
圖5 5種圖像邊緣提取算子對(duì)比圖Fig.5 Comparison of five edge detection algorithms
火焰圖像處理結(jié)果與實(shí)際灰度圖像的對(duì)比如圖6所示.由圖6可知，所編寫(xiě)的圖像處理程序能夠較好地追蹤火焰邊緣，且與實(shí)際圖像的一致性較高.由于火焰計(jì)算面積是基于輪廓內(nèi)部像素點(diǎn)個(gè)數(shù)占整幅圖像像素?cái)?shù)目的百分?jǐn)?shù)，輪廓的準(zhǔn)確性保證了其計(jì)算面積的精度，可以滿足實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析的要求.
圖6 火焰邊緣提取圖像與原始灰度圖像對(duì)比Fig.6 Comparison between the original gray flame image and extraction edge
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析與討論
3.1 射流火焰?zhèn)鞑バ螒B(tài)的不對(duì)稱(chēng)性分析
當(dāng)λ=1.0，p=0.6 MPa時(shí)，甲烷/空氣預(yù)混燃燒火焰的形態(tài)發(fā)展情況如圖7所示.圖7從宏觀上反映了甲烷射流火焰發(fā)展的不對(duì)稱(chēng)性.為具體得出從預(yù)燃室通過(guò)6個(gè)噴孔的射流火焰發(fā)展的不均衡性，以半圓形噴嘴的中軸線為分割線，用高速攝影機(jī)拍攝左右兩側(cè)的射流火焰噴射面積.左右兩側(cè)的射流火焰面積的百分比μ定義為左右兩側(cè)像素點(diǎn)為1的數(shù)目占總像素個(gè)數(shù)的比例，計(jì)算結(jié)果如圖8所示.其中，L為左邊；R為右邊.
由圖8可知，隨著時(shí)間的增加，左右兩側(cè)的射流火焰面積均迅速增加而后趨于穩(wěn)定，而其同一時(shí)間的面積百分比的差異性也較為明顯,這種差異性在不同的過(guò)量空氣系數(shù)下有所不同.當(dāng)λ=1.2時(shí)，左右兩側(cè)火焰面積百分比的最大差值為4%.而隨著λ的降低，這一差值的最大值提升至12%.由此可見(jiàn)，過(guò)量空氣系數(shù)越小，即甲烷濃度越高，射流火焰發(fā)展的不對(duì)稱(chēng)性越嚴(yán)重，進(jìn)而導(dǎo)致主燃室內(nèi)預(yù)混氣體的燃燒越不均勻.產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因主要是由于位于預(yù)燃室頂部偏置左方的火花塞在引燃其中的混合氣體后，以預(yù)燃室中軸線分隔開(kāi)的左右兩側(cè)火焰發(fā)展不均衡.左側(cè)的已燃混合氣體濃度較高，溫度壓力也相對(duì)較大.當(dāng)該混合氣體迅速噴射到主燃室中，隨之而來(lái)的點(diǎn)燃周?chē)慈蓟旌蠚獾哪芰坎顒e較大.在相對(duì)濃燃條件下，預(yù)燃室中燃燒的不均衡性對(duì)主燃室中射流火焰的初始發(fā)展影響較大，呈現(xiàn)出較為強(qiáng)烈的不對(duì)稱(chēng)性，這一點(diǎn)在預(yù)燃室式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)中應(yīng)予以適當(dāng)考慮.
p=0.6 MPa，λ=1.0圖7 射流火焰發(fā)展的宏觀描述Fig.7 Macroscopic description of jet flame development
圖8 左右兩側(cè)射流火焰面積百分比隨時(shí)間的變化曲線Fig.8 Temporal variations of jet flame area percentage on both left and right sides
3.2 過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊?/h3>
為進(jìn)一步探究λ對(duì)甲烷射流火焰?zhèn)鞑ニ俾实挠绊懀枰治龌鹧娴拿娣e變化及瞬時(shí)的壓力變化，如圖9所示.當(dāng)p=0.6 MPa，λ=0.8時(shí)，從主燃室開(kāi)始出現(xiàn)射流火焰到幾乎充滿整個(gè)燃燒室經(jīng)歷的時(shí)間t=25 ms.而當(dāng)λ=1.0，1.2時(shí)，t=50，125 ms.這表明λ對(duì)射流火焰的發(fā)展速率影響顯著，隨著λ的增大，大體呈現(xiàn)出射流火焰面積百分比的變化速率減小，火焰?zhèn)鞑ニ俾蕼p慢的情況.
但當(dāng)λ=1.0，p=1.5 MPa時(shí)，出現(xiàn)了射流火焰?zhèn)鞑ニ俾史炊笥谕瘸跏級(jí)毫l件下λ=0.8的情況.產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因可能是射流火焰的傳播速率同時(shí)受到初始?jí)毫εc過(guò)量空氣系數(shù)的影響.當(dāng)p=0.6 MPa時(shí)，可從3條曲線的斜率變化中看出火焰?zhèn)鞑ニ俾适堞说挠绊戄^大；當(dāng)p=1.0 MPa，λ=0.8，1.0時(shí)，火焰?zhèn)鞑ニ俾氏嗖畈淮?；?dāng)p=1.5 MPa，λ=1.0時(shí)，甲烷空氣混合氣體的火焰發(fā)展速率反而大于較濃混合氣體(λ=0.8)時(shí)的情況.這一結(jié)論表明在天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)背壓較高的初始條件下，提高混合氣體中的甲烷濃度不一定會(huì)促進(jìn)氣缸內(nèi)的火焰?zhèn)鞑ニ俾?；相反地，若營(yíng)造稀燃條件可能會(huì)達(dá)到和相對(duì)較濃混合氣體同樣的火焰?zhèn)鞑ニ俾?
隨著λ的增大，瞬時(shí)壓力的變化速率逐漸減小，即射流火焰的傳播速率減慢.達(dá)到第1個(gè)壓力峰值出現(xiàn)的時(shí)間隨著λ的增加而增加，且瞬時(shí)壓力的峰值隨著λ的減小而略有增大，均達(dá)到p的2倍左右.在p越高、λ越大的情況下，瞬時(shí)壓力曲線越容易出現(xiàn)雙峰值的情況.較稀混合氣體(λ=1.2)燃燒時(shí)，在3種p下均出現(xiàn)2個(gè)壓力峰值；當(dāng)p=1.5 MPa時(shí)，3種λ均出現(xiàn)雙峰值，并且第2個(gè)壓力峰值均高于第1個(gè).Biswas等[10]在研究甲烷空氣以及氫氣空氣預(yù)混燃燒的點(diǎn)火機(jī)制時(shí)提出，較高的初始?jí)毫斑^(guò)量空氣系數(shù)會(huì)使從預(yù)燃室流經(jīng)通道的射流火焰容易淬熄，從而造成噴射進(jìn)主燃室中的湍流射流火焰中僅含有燃燒產(chǎn)物而不含有OH等活性自由基.這對(duì)本研究的瞬時(shí)壓力曲線出現(xiàn)雙峰值提供了合理的解釋?zhuān)^高的初始?jí)毫斑^(guò)量空氣系數(shù)使得從通道噴射出的射流火焰中僅含有燃燒產(chǎn)物，其火焰前鋒面與周?chē)浠旌蠚怏w迅速混合，并為其提供著火能量及溫度，高能量湍流射流火焰的噴入帶來(lái)了主燃室的第1次壓力峰值，隨后主燃室中的冷預(yù)混氣體達(dá)到著火條件后在多處迅速被點(diǎn)燃，這就解釋了第2次壓力峰值的出現(xiàn)及其值高于第1次的現(xiàn)象.
不同過(guò)量空氣系數(shù)下，射流火焰面積百分比及瞬時(shí)壓力隨時(shí)間的變化曲線如圖9所示，其中p′為瞬時(shí)壓力.由圖9可知，火焰面積百分比曲線與瞬時(shí)壓力曲線呈現(xiàn)出較為一致的規(guī)律性.其中，瞬時(shí)壓力通過(guò)精度較高的壓力傳感器采集而得；火焰面積百分比經(jīng)過(guò)火焰圖像批量預(yù)處理后量化分析而得.這也間接表明了所采用的圖像處理算法精度較高，基本可以滿足實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析的要求.
過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)甲烷/空氣射流火焰的邊緣發(fā)展影響如圖10所示.當(dāng)λ=1.2時(shí)，射流火焰發(fā)展得十分緩慢，且亮度較低，高速攝影儀捕捉不到射流火焰，因此需通過(guò)降低拍攝頻率、增加曝光時(shí)間提高拍攝火焰的清晰度，即拍攝兩張火焰的間隔時(shí)間變長(zhǎng).由圖10可知，在射流火焰發(fā)展初期(t<24 ms)，射流火焰的前鋒面褶皺較多、邊緣扭曲，隨后火焰前鋒面發(fā)展成較為平滑的形態(tài).若將火花塞位置點(diǎn)到射流火焰前鋒面定義為火焰的周向發(fā)展方向，將沿火花塞為中心軸線的向前發(fā)展定義為徑向發(fā)展方向，則隨著過(guò)量空氣系數(shù)的增加，火焰的徑向發(fā)展速度vr增大，周向發(fā)展速度vc減小，火焰整體呈現(xiàn)向前發(fā)展的特征.
圖9 不同過(guò)量空氣系數(shù)下，μ和p′的變化曲線Fig.9 Variations of μ and p′ at different air-fuel equivalence ratios
圖10 不同過(guò)量空氣系數(shù)下射流火焰的邊緣發(fā)展特性(p=1.0 MPa)Fig.10 Characteristics of flame fronts at different air-fuel equivalence ratios (p=1.0 MPa)
圖11 不同初始?jí)毫ο?，μ隨時(shí)間的變化曲線Fig.11 Variations of μ under different initial pressures
3.3 初始?jí)毫?duì)火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊?/h3>
不同初始?jí)毫ο?射流火焰面積百分比隨時(shí)間的變化曲線如圖11所示.由圖11可知，同一過(guò)量空氣系數(shù)條件下，初始?jí)毫υ礁?，火焰面積百分比的變化速率越小，射流火焰的發(fā)展速率越慢.當(dāng)λ=0.8時(shí)，不同初始?jí)毫ο碌纳淞骰鹧鎮(zhèn)鞑ニ俾氏嗖钶^大；當(dāng)λ=1.0，1.2，p=0.6，1.0 MPa時(shí)，初始?jí)毫?duì)射流火焰的傳播速度影響較小，2種初始?jí)毫ο碌幕鹧婷娣e百分比變化速率幾乎相同，略高于p=1.5 MPa下的變化速率.提高初始?jí)毫υ谝欢ǔ潭壬弦种屏松淞骰鹧娴南蚯鞍l(fā)展，這可能是由于火焰流體力學(xué)的不穩(wěn)定性隨著初始?jí)毫Φ脑龃蠖鰪?qiáng)導(dǎo)致的.同時(shí)，已燃高溫混合氣體需克服高背壓向外膨脹發(fā)展，阻礙了火焰的傳播，若背壓過(guò)大還可能會(huì)發(fā)生失火的情況.當(dāng)λ=0.8，p=0.6,1.0,1.5 MPa時(shí)，從火焰發(fā)展至達(dá)到穩(wěn)定時(shí)間的差異較大，分別為25，75，125 ms；當(dāng)甲烷/空氣處于化學(xué)當(dāng)量比及相對(duì)稀燃條件下，3種初始?jí)毫η闆r下的火焰幾乎同時(shí)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài).當(dāng)λ=1.0時(shí)，t=50 ms；λ=1.2時(shí)，t=125 ms.這一現(xiàn)象可歸因于初始?jí)毫彤?dāng)量比對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊慬11].當(dāng)甲烷/空氣預(yù)混氣體較濃時(shí)，初始?jí)毫?duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣扔绊懗潭容^大，初始?jí)毫Φ慕档涂娠@著提高火焰的傳播速度；隨著甲烷氣體濃度的降低，火焰?zhèn)鞑ニ俣炔辉儆沙跏細(xì)怏w的壓力主導(dǎo)，這也同時(shí)解釋了當(dāng)p=1.5 MPa時(shí)，化學(xué)當(dāng)量比的甲烷/空氣混合氣的火焰發(fā)展速率反而大于較濃混合氣體的現(xiàn)象.
4 結(jié)論
本文探究了初始條件對(duì)定容彈中甲烷/空氣射流火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊?，利用MATLAB軟件進(jìn)行火焰圖像的預(yù)處理，并且提取特征參數(shù)；通過(guò)分析特征參數(shù)-火焰面積百分比及瞬時(shí)壓力曲線得到如下結(jié)論.
(1) 預(yù)燃室火花塞偏置導(dǎo)致射流火焰發(fā)展的不對(duì)稱(chēng)性，這種不對(duì)稱(chēng)性在過(guò)量空氣系數(shù)較小時(shí)呈現(xiàn)出隨著時(shí)間的增加，不對(duì)稱(chēng)性越嚴(yán)重的趨勢(shì).
(2) 射流火焰的傳播速率同時(shí)受到初始?jí)毫εc過(guò)量空氣系數(shù)的影響.當(dāng)過(guò)量空氣系數(shù)較小(λ=0.8)時(shí)，對(duì)初始?jí)毫Φ挠绊懽顬槊舾校闯跏級(jí)毫ι杂性黾?，火焰?zhèn)鞑ニ俾恃杆俳档?
(3) 初始?jí)毫蜻^(guò)量空氣系數(shù)的增加均會(huì)導(dǎo)致射流火焰?zhèn)鞑ニ俾实慕档停⒃谝欢ǔ潭壬嫌绊懥鹘?jīng)預(yù)燃室噴孔后的火焰是否淬熄.
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許曉晨，李 翔,2，黃 忠，具德浩，呂興才，黃 震
(1. 上海交通大學(xué) 動(dòng)力機(jī)械與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200240；2. 中國(guó)船舶重工集團(tuán)有限公司第七一一研究所， 上海 201108)
近幾年來(lái)，隨著人們對(duì)環(huán)境保護(hù)問(wèn)題的不斷重視，國(guó)際上針對(duì)船用發(fā)動(dòng)機(jī)排放控制所制定的相應(yīng)法規(guī)也越來(lái)越嚴(yán)格，迫使傳統(tǒng)的化石燃料發(fā)動(dòng)機(jī)亟需突破現(xiàn)有的技術(shù)以達(dá)到更高標(biāo)準(zhǔn)的排放要求.天然氣作為傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的清潔替代燃料具有諸多優(yōu)勢(shì)，在滿足一定的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性基礎(chǔ)上，天然氣還能達(dá)到較低的氮氧化物(NOx)和二氧化碳(CO2)排放要求.但天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)大多以火花點(diǎn)燃的燃燒方式為主，其單點(diǎn)著火后火焰?zhèn)鞑ニ俣染徛?，這是制約其廣泛應(yīng)用的主要原因之一.天然氣的主要成分甲烷的最大層流火焰的傳播速度為33.8 cm/s，僅為汽油-空氣層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊?/3[1].隨著氣缸直徑的增加，這一問(wèn)題愈加突出.此外，增大空燃比，實(shí)現(xiàn)稀薄燃燒是降低NOx排放、提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率的有效途徑，但隨著過(guò)量空氣系數(shù)的增加，稀燃極限又受制于點(diǎn)火系統(tǒng)能否可靠地點(diǎn)燃甲烷/空氣混合物.
采用預(yù)燃室式燃燒系統(tǒng)已經(jīng)成為大缸徑天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒系統(tǒng)的主要發(fā)展趨勢(shì)[2].選擇帶有預(yù)燃室的天然氣射流引燃系統(tǒng)的目的在于提供相比于傳統(tǒng)火花塞點(diǎn)火更高的點(diǎn)火能量，提高火焰的傳播速度.預(yù)燃室的參數(shù)設(shè)計(jì)及初始條件作為關(guān)鍵因素，對(duì)射流火焰的傳播特性有較大的影響.對(duì)此，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者已經(jīng)開(kāi)展了大量的研究工作.Gholamisheeri等[3]在湍流射流引燃系統(tǒng)中分析了射流火焰經(jīng)過(guò)單通道噴射點(diǎn)火的燃燒過(guò)程，比較模擬結(jié)果與快速壓縮機(jī)中的高速射流火焰圖像，研究通道尺寸和空燃比對(duì)射流火焰速度和燃燒性能的影響.Salahi等[4]在預(yù)燃室式單缸機(jī)中對(duì)燃油反應(yīng)活性控制壓燃技術(shù)(RCCI)的射流流場(chǎng)和燃燒過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬.研究結(jié)果表明：使用預(yù)燃室可以擴(kuò)展RCCI發(fā)動(dòng)機(jī)的工作范圍，即在進(jìn)氣溫度降低50 K時(shí)也能保證穩(wěn)定著火.李樹(shù)生等[5]設(shè)計(jì)了小容積預(yù)燃室加淺盆形主燃室的燃燒系統(tǒng)，其研究結(jié)果表明：增大主燃室與預(yù)燃室間連接通道的夾角有利于加快燃燒室徑向火焰的傳播速度，且可以獲得較好的抗爆性能及排放性能.王博遠(yuǎn)等[6]設(shè)計(jì)了用于射流點(diǎn)火的內(nèi)置式半球型四孔預(yù)燃室，利用可視化快速壓縮機(jī)(RCM)進(jìn)行點(diǎn)火燃燒試驗(yàn)研究.研究表明：相比于傳統(tǒng)火花點(diǎn)火，預(yù)燃室式射流點(diǎn)火的滯燃期和燃燒持續(xù)期有所縮短；在大負(fù)荷工況下，滯燃期和燃燒持續(xù)期均縮短了約55%，最高燃燒壓力和最大累計(jì)放熱量分別增大7%和10%.
上述研究已從多個(gè)角度基于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)或仿真分析，評(píng)價(jià)了預(yù)燃室對(duì)天然氣火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?，其目的都在于找到改善天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒性能的技術(shù)途徑.然而，國(guó)內(nèi)外的研究大多集中于利用RCM或單缸機(jī)進(jìn)行實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)工況的實(shí)驗(yàn)研究.這種實(shí)驗(yàn)方法雖然可以獲得較高的溫度和壓力，但大多局限于對(duì)小缸徑(d<100 mm)發(fā)動(dòng)機(jī)的研究，幾乎沒(méi)有利用大缸徑RCM或單缸機(jī)進(jìn)行射流引燃的可視化實(shí)驗(yàn).這是由于要將RCM的缸徑設(shè)計(jì)為約300 mm的尺寸幾乎是不可能的.因此，為了觀察并分析大缸徑天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)射流火焰的演變過(guò)程，基于定容燃燒彈并輔助使用高速攝影儀成為了較為可行的實(shí)驗(yàn)方案.本文旨在研究火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懸蛩?過(guò)量空氣系數(shù)、初始?jí)毫?對(duì)火焰演變規(guī)律及瞬時(shí)壓力場(chǎng)的影響；在預(yù)燃室式的大缸徑定容彈中進(jìn)行甲烷/空氣射流引燃實(shí)驗(yàn)；分析瞬時(shí)壓力變化曲線、火焰面積變化曲線及預(yù)處理后的火焰?zhèn)鞑D像，為帶有預(yù)燃室的大缸徑天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)射流火焰的發(fā)展過(guò)程提供一定的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)和理論支持.
1 天然氣射流引燃系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)方法
所用燃燒系統(tǒng)中，主燃室與預(yù)燃室之間通過(guò)均勻布置的6個(gè)噴孔相連接，其內(nèi)徑為2.9 mm，總面積為39.63 mm2.當(dāng)點(diǎn)火信號(hào)觸發(fā)火花塞跳火后，預(yù)燃室中的預(yù)混氣體迅速被點(diǎn)燃，壓力和溫度急劇升高，以高速射流火焰的方式通過(guò)6個(gè)噴孔噴入主燃室，迅速點(diǎn)燃主燃室內(nèi)火花塞周?chē)幕旌蠚怏w.射流的作用使主燃室內(nèi)的湍流強(qiáng)度顯著增加，進(jìn)而提供多個(gè)空間分布的點(diǎn)火源.同時(shí)，射流火焰的燃燒產(chǎn)物中含有一定的活性自由基[7]，促進(jìn)了主燃室中甲烷/空氣預(yù)混氣體的快速燃燒.
預(yù)燃室燃燒的系統(tǒng)模型如圖1所示.預(yù)燃室的容積為15 cm3，安裝于定容彈彈體的正上方；火花塞(冠軍FB77WPCC)安置于頂部偏向左方位置；定容彈彈體的直徑為300 mm，最大設(shè)計(jì)工作壓力為6 MPa；兩側(cè)石英玻璃視窗用于觀察和拍攝高速射流火焰；采用的高速攝影機(jī)為Photron FASTCAM-ultima APX，所攝圖像為 1 024 像素×1 024 像素，后續(xù)會(huì)增加微通道板(MCP)圖像增強(qiáng)器附件，可提供高幀率成像所需的超高輸出亮度，增強(qiáng)分辨率及靈敏度，進(jìn)而獲得更為清晰的高質(zhì)量圖像.實(shí)驗(yàn)首先將甲烷氣體通入容彈中，使其與空氣充分混合均勻，并通過(guò)量程為0～2 MPa的數(shù)字壓力表觀察其預(yù)混壓力，確保精確配氣；使用壓阻式壓力傳感器采集實(shí)驗(yàn)過(guò)程中容彈內(nèi)部的瞬時(shí)壓力，其測(cè)量范圍為0～20 MPa，測(cè)量精度為±0.5%FS(FS為滿量程).
僅通過(guò)改變初始過(guò)量空氣系數(shù)(λ=0.8，1.0，1.2)或初始?jí)毫?p=0.6，1.0，1.5 MPa)研究初始條件對(duì)甲烷/空氣預(yù)混合氣的火焰發(fā)展過(guò)程及燃燒情況的影響，設(shè)所有實(shí)驗(yàn)的初始溫度(T)均為300 K.值得注意的是主燃室和預(yù)燃室中的λ始終保持一致.具體的實(shí)驗(yàn)方案如表1所示.
1—點(diǎn)火線圈, 2—石英玻璃視窗, 3—火花塞, 4—預(yù)燃室, 5—連接通道圖1 預(yù)燃室式射流火焰定容燃燒系統(tǒng)示意圖Fig.1 Diagram of constant volume combustion system of pre-chamber jet flame
實(shí)驗(yàn)工況p/MPaT/Kλ10.63000.820.63001.030.63001.241.03000.851.03001.061.03001.271.53000.881.53001.091.53001.2
2 射流火焰圖像處理方法研究
基于不同工況下的每一組實(shí)驗(yàn)均需保存火焰從開(kāi)始形成、發(fā)展到穩(wěn)定狀態(tài)的圖片，約有120張.而每一工況條件至少做5組重復(fù)性實(shí)驗(yàn)以確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，這樣所記錄的火焰圖像數(shù)量巨大.利用MATLAB圖像處理軟件，選擇合適的圖像處理方法，批量處理射流火焰圖像、提取特征參數(shù)以及生成計(jì)算結(jié)果的參數(shù)列表，為后續(xù)的量化分析提供必要的理論基礎(chǔ).
2.1 射流火焰圖像處理流程
獲取射流火焰的傳播特征時(shí)，以火焰面積這一特征參數(shù)表征火焰的傳播發(fā)展情況較為合理，如何高效率、高精度地提取研究所關(guān)注的特征信息是至為關(guān)鍵的一點(diǎn).形態(tài)學(xué)是提取圖像特征的有力工具，組合使用二值圖像的腐蝕、膨脹、開(kāi)閉運(yùn)算、復(fù)原重構(gòu)等基本操作，以達(dá)到準(zhǔn)確地提取目標(biāo)計(jì)算區(qū)域的目的.根據(jù)上述火焰圖像的處理步驟，火焰圖像的處理流程如圖2所示.
圖2 火焰圖像處理流程Fig.2 Flame image processing procedure
2.2 圖像處理算法的對(duì)比分析
受圖像采集方法、實(shí)驗(yàn)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)設(shè)備等影響，實(shí)際獲取的射流火焰圖像均會(huì)受到不同程度的干擾.因此，需要通過(guò)圖像預(yù)處理方法提高圖像質(zhì)量以提取關(guān)鍵參數(shù).
調(diào)節(jié)原始圖像的亮度與對(duì)比度的方法有兩種：① 通過(guò)美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院網(wǎng)站(http:∥imagej.nih.gov/ij/)下載的圖像處理軟件ImageJ可以獲得RGB圖像的亮度值區(qū)間，而后運(yùn)用MATLAB軟件中的imadjust函數(shù)求得原圖像的R、G、B分量并映射到所求圖像中，獲得新的亮度值；② 直接配合使用imadjust函數(shù)與stretchlim函數(shù)，自動(dòng)提高圖像的對(duì)比度.對(duì)所有由高速攝影儀記錄的火焰圖像均進(jìn)行亮度和對(duì)比度的預(yù)處理.當(dāng)初始條件為p=0.6 MPa，λ=0.8時(shí)，一組處理后的圖像如圖3所示.其中，t為射流火焰持續(xù)時(shí)間(取開(kāi)始出現(xiàn)射流火焰的第1張圖片作為時(shí)間零點(diǎn)).由圖3可以知道，對(duì)比相同時(shí)間下的兩種圖像處理方法的結(jié)果，經(jīng)過(guò) stretchlim 函數(shù)處理后的圖像整體和局部的色度及亮度等級(jí)的分布梯度較大，并且與實(shí)際火焰發(fā)展形態(tài)特征的一致性較高，便于后續(xù)圖像的灰度化處理，故下文將選用此函數(shù)處理圖像.
圖像的二值化處理有利于進(jìn)一步進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，通過(guò)減少數(shù)據(jù)量使圖像變得簡(jiǎn)單，凸顯感興趣的目標(biāo).閾值化圖像分割是一種最基本的圖像分割方法.其基本原理是選取一個(gè)或多個(gè)處于灰度圖像范圍中的灰度閾值，而后將圖像中各像素的灰度值與該閾值進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果將圖像中的對(duì)應(yīng)像素分成兩類(lèi)或多類(lèi)，從而把圖像劃分成互不重疊的區(qū)域集合，達(dá)成分割圖像的目的[8].選取閾值是灰度圖像二值化最重要的步驟，不同的閾值獲取方法獲得的二值化圖像差別較大.所以，不同的閾值化圖像分割方法在一定程度上決定了所編寫(xiě)的圖像處理程序能否高精度、較準(zhǔn)確地反應(yīng)實(shí)際圖像.常用的分割方法有：直方圖雙峰法、最大類(lèi)間方差法、迭代法等.由于采用直方圖雙峰法需要依據(jù)圖像的直方圖，通過(guò)對(duì)直方圖進(jìn)行定量分析來(lái)確定閾值，不便于處理數(shù)量龐大的圖像.此外，不是所有形態(tài)的火焰圖像均能呈現(xiàn)出明顯的兩個(gè)波峰與一個(gè)波谷，導(dǎo)致該方法的交互性也較差，且需通過(guò)人工參與交互設(shè)定閾值，這樣會(huì)導(dǎo)致圖像精度較低，所以直接排除這種閾值分割方法，只采用迭代法和最大類(lèi)間方差法對(duì)所有火焰圖像批處理.值得一提的是，采用迭代法時(shí)，某些圖像經(jīng)過(guò)反復(fù)迭代后，其開(kāi)關(guān)函數(shù)依舊在變化，故設(shè)定迭代上限為50次.采用迭代法(ItM)和最大類(lèi)間方差法(Otsu)的圖像處理結(jié)果如圖3所示.由圖3可知，Otsu可以更好地反映原始圖像的火焰形態(tài).
圖3 火焰圖像的對(duì)比度調(diào)節(jié)、灰度化、二值化Fig.3 Contrast adjustment, grayscale and binarization for flame images
甲烷的火焰內(nèi)部存在明顯的顏色差異，這主要是由于甲烷在燃燒過(guò)程中所產(chǎn)生的每一種中間產(chǎn)物都有特定的發(fā)射光譜[9].原始火焰圖像的顏色差異性導(dǎo)致圖像經(jīng)過(guò)二值化處理后，射流火焰目標(biāo)區(qū)域存在較強(qiáng)的噪聲，而火焰內(nèi)部出現(xiàn)空隙.這就需要進(jìn)一步去除火焰周?chē)铝⒃肼朁c(diǎn)及填充內(nèi)部孔隙.應(yīng)用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)對(duì)二值化圖像進(jìn)行反復(fù)膨脹、腐蝕以及邊緣恢復(fù)等操作，獲得的處理結(jié)果與由圖像疊加法獲得的處理結(jié)果對(duì)比如圖4所示(p=0.6 MPa，λ=1.0，t=24 ms).由于火焰向前發(fā)展階段，后一張火焰圖像一定包含了前一張火焰圖像的目標(biāo)區(qū)域，所以基于這一點(diǎn)應(yīng)用imadd函數(shù)進(jìn)行圖像的疊加操作.無(wú)論是膨脹、腐蝕還是圖像疊加操作，其目的都在于將原本非連通的區(qū)域連通以進(jìn)行孔隙填充，而去除孤立噪聲點(diǎn)則是為了通過(guò)標(biāo)記連通區(qū)域，選取連通區(qū)域面積閾值以去除火焰輪廓邊緣噪聲點(diǎn)的干擾.由圖4可知，反復(fù)的膨脹、腐蝕會(huì)在一定程度上使得火焰邊緣的特征失真，對(duì)后續(xù)的火焰關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算帶來(lái)誤差，因此選取圖像疊加的方式更為合理.
對(duì)火焰邊緣輪廓的高精度提取有利于分析不同條件下射流火焰的發(fā)展形態(tài).采用5種常用的邊緣檢測(cè)算法，旨在找出能夠準(zhǔn)確檢測(cè)和識(shí)別火焰封面形狀的方法.Sobel算子、Prewitt算子、Robert算子均為梯度算子，基于圖像亮度一階導(dǎo)數(shù)的不連續(xù)性進(jìn)行邊緣檢測(cè)；Log算子結(jié)合了Gaussian濾波和Laplacian邊緣檢測(cè)，考慮了5像素×5像素的鄰域處理，是一種改進(jìn)型Laplacian算子；Canny算子是基于信噪比與定位之乘積的最優(yōu)逼近算子進(jìn)行檢測(cè)，其檢測(cè)步驟分為：① 利用Gaussian濾波器平滑圖像；② 計(jì)算梯度的幅值和方向；③ 對(duì)梯度幅值進(jìn)行非極大值抑制；④ 用雙閾值算法檢測(cè)和連接邊緣.不同工況下，不同發(fā)展程度的火焰形態(tài)的差異性較大，所以選取幾組具有代表性的火焰圖像進(jìn)行對(duì)比觀察.采用上述5種圖像邊緣提取算子提取出的射流火焰邊緣特征如圖5所示.由圖5可知，梯度算子(Sobel、Perwitt和Robert算子)的邊緣檢測(cè)結(jié)果區(qū)別較?。籐og算子的抗噪性較差，生成了較多假邊緣集；Canny算子的圖像邊緣最完整，且其光滑性、連續(xù)性較好.綜上所述，選取Canny算子檢測(cè)火焰輪廓.
p=0.6 MPa，λ=1.0，t=24 ms圖4 二值化圖像的去噪方法Fig.4 Noise removal methods for binary images
圖5 5種圖像邊緣提取算子對(duì)比圖Fig.5 Comparison of five edge detection algorithms
火焰圖像處理結(jié)果與實(shí)際灰度圖像的對(duì)比如圖6所示.由圖6可知，所編寫(xiě)的圖像處理程序能夠較好地追蹤火焰邊緣，且與實(shí)際圖像的一致性較高.由于火焰計(jì)算面積是基于輪廓內(nèi)部像素點(diǎn)個(gè)數(shù)占整幅圖像像素?cái)?shù)目的百分?jǐn)?shù)，輪廓的準(zhǔn)確性保證了其計(jì)算面積的精度，可以滿足實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析的要求.
圖6 火焰邊緣提取圖像與原始灰度圖像對(duì)比Fig.6 Comparison between the original gray flame image and extraction edge
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析與討論
3.1 射流火焰?zhèn)鞑バ螒B(tài)的不對(duì)稱(chēng)性分析
當(dāng)λ=1.0，p=0.6 MPa時(shí)，甲烷/空氣預(yù)混燃燒火焰的形態(tài)發(fā)展情況如圖7所示.圖7從宏觀上反映了甲烷射流火焰發(fā)展的不對(duì)稱(chēng)性.為具體得出從預(yù)燃室通過(guò)6個(gè)噴孔的射流火焰發(fā)展的不均衡性，以半圓形噴嘴的中軸線為分割線，用高速攝影機(jī)拍攝左右兩側(cè)的射流火焰噴射面積.左右兩側(cè)的射流火焰面積的百分比μ定義為左右兩側(cè)像素點(diǎn)為1的數(shù)目占總像素個(gè)數(shù)的比例，計(jì)算結(jié)果如圖8所示.其中，L為左邊；R為右邊.
由圖8可知，隨著時(shí)間的增加，左右兩側(cè)的射流火焰面積均迅速增加而后趨于穩(wěn)定，而其同一時(shí)間的面積百分比的差異性也較為明顯,這種差異性在不同的過(guò)量空氣系數(shù)下有所不同.當(dāng)λ=1.2時(shí)，左右兩側(cè)火焰面積百分比的最大差值為4%.而隨著λ的降低，這一差值的最大值提升至12%.由此可見(jiàn)，過(guò)量空氣系數(shù)越小，即甲烷濃度越高，射流火焰發(fā)展的不對(duì)稱(chēng)性越嚴(yán)重，進(jìn)而導(dǎo)致主燃室內(nèi)預(yù)混氣體的燃燒越不均勻.產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因主要是由于位于預(yù)燃室頂部偏置左方的火花塞在引燃其中的混合氣體后，以預(yù)燃室中軸線分隔開(kāi)的左右兩側(cè)火焰發(fā)展不均衡.左側(cè)的已燃混合氣體濃度較高，溫度壓力也相對(duì)較大.當(dāng)該混合氣體迅速噴射到主燃室中，隨之而來(lái)的點(diǎn)燃周?chē)慈蓟旌蠚獾哪芰坎顒e較大.在相對(duì)濃燃條件下，預(yù)燃室中燃燒的不均衡性對(duì)主燃室中射流火焰的初始發(fā)展影響較大，呈現(xiàn)出較為強(qiáng)烈的不對(duì)稱(chēng)性，這一點(diǎn)在預(yù)燃室式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)中應(yīng)予以適當(dāng)考慮.
p=0.6 MPa，λ=1.0圖7 射流火焰發(fā)展的宏觀描述Fig.7 Macroscopic description of jet flame development
圖8 左右兩側(cè)射流火焰面積百分比隨時(shí)間的變化曲線Fig.8 Temporal variations of jet flame area percentage on both left and right sides
3.2 過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊?/h3>
為進(jìn)一步探究λ對(duì)甲烷射流火焰?zhèn)鞑ニ俾实挠绊懀枰治龌鹧娴拿娣e變化及瞬時(shí)的壓力變化，如圖9所示.當(dāng)p=0.6 MPa，λ=0.8時(shí)，從主燃室開(kāi)始出現(xiàn)射流火焰到幾乎充滿整個(gè)燃燒室經(jīng)歷的時(shí)間t=25 ms.而當(dāng)λ=1.0，1.2時(shí)，t=50，125 ms.這表明λ對(duì)射流火焰的發(fā)展速率影響顯著，隨著λ的增大，大體呈現(xiàn)出射流火焰面積百分比的變化速率減小，火焰?zhèn)鞑ニ俾蕼p慢的情況.
但當(dāng)λ=1.0，p=1.5 MPa時(shí)，出現(xiàn)了射流火焰?zhèn)鞑ニ俾史炊笥谕瘸跏級(jí)毫l件下λ=0.8的情況.產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因可能是射流火焰的傳播速率同時(shí)受到初始?jí)毫εc過(guò)量空氣系數(shù)的影響.當(dāng)p=0.6 MPa時(shí)，可從3條曲線的斜率變化中看出火焰?zhèn)鞑ニ俾适堞说挠绊戄^大；當(dāng)p=1.0 MPa，λ=0.8，1.0時(shí)，火焰?zhèn)鞑ニ俾氏嗖畈淮?；?dāng)p=1.5 MPa，λ=1.0時(shí)，甲烷空氣混合氣體的火焰發(fā)展速率反而大于較濃混合氣體(λ=0.8)時(shí)的情況.這一結(jié)論表明在天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)背壓較高的初始條件下，提高混合氣體中的甲烷濃度不一定會(huì)促進(jìn)氣缸內(nèi)的火焰?zhèn)鞑ニ俾?；相反地，若營(yíng)造稀燃條件可能會(huì)達(dá)到和相對(duì)較濃混合氣體同樣的火焰?zhèn)鞑ニ俾?
隨著λ的增大，瞬時(shí)壓力的變化速率逐漸減小，即射流火焰的傳播速率減慢.達(dá)到第1個(gè)壓力峰值出現(xiàn)的時(shí)間隨著λ的增加而增加，且瞬時(shí)壓力的峰值隨著λ的減小而略有增大，均達(dá)到p的2倍左右.在p越高、λ越大的情況下，瞬時(shí)壓力曲線越容易出現(xiàn)雙峰值的情況.較稀混合氣體(λ=1.2)燃燒時(shí)，在3種p下均出現(xiàn)2個(gè)壓力峰值；當(dāng)p=1.5 MPa時(shí)，3種λ均出現(xiàn)雙峰值，并且第2個(gè)壓力峰值均高于第1個(gè).Biswas等[10]在研究甲烷空氣以及氫氣空氣預(yù)混燃燒的點(diǎn)火機(jī)制時(shí)提出，較高的初始?jí)毫斑^(guò)量空氣系數(shù)會(huì)使從預(yù)燃室流經(jīng)通道的射流火焰容易淬熄，從而造成噴射進(jìn)主燃室中的湍流射流火焰中僅含有燃燒產(chǎn)物而不含有OH等活性自由基.這對(duì)本研究的瞬時(shí)壓力曲線出現(xiàn)雙峰值提供了合理的解釋?zhuān)^高的初始?jí)毫斑^(guò)量空氣系數(shù)使得從通道噴射出的射流火焰中僅含有燃燒產(chǎn)物，其火焰前鋒面與周?chē)浠旌蠚怏w迅速混合，并為其提供著火能量及溫度，高能量湍流射流火焰的噴入帶來(lái)了主燃室的第1次壓力峰值，隨后主燃室中的冷預(yù)混氣體達(dá)到著火條件后在多處迅速被點(diǎn)燃，這就解釋了第2次壓力峰值的出現(xiàn)及其值高于第1次的現(xiàn)象.
不同過(guò)量空氣系數(shù)下，射流火焰面積百分比及瞬時(shí)壓力隨時(shí)間的變化曲線如圖9所示，其中p′為瞬時(shí)壓力.由圖9可知，火焰面積百分比曲線與瞬時(shí)壓力曲線呈現(xiàn)出較為一致的規(guī)律性.其中，瞬時(shí)壓力通過(guò)精度較高的壓力傳感器采集而得；火焰面積百分比經(jīng)過(guò)火焰圖像批量預(yù)處理后量化分析而得.這也間接表明了所采用的圖像處理算法精度較高，基本可以滿足實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析的要求.
過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)甲烷/空氣射流火焰的邊緣發(fā)展影響如圖10所示.當(dāng)λ=1.2時(shí)，射流火焰發(fā)展得十分緩慢，且亮度較低，高速攝影儀捕捉不到射流火焰，因此需通過(guò)降低拍攝頻率、增加曝光時(shí)間提高拍攝火焰的清晰度，即拍攝兩張火焰的間隔時(shí)間變長(zhǎng).由圖10可知，在射流火焰發(fā)展初期(t<24 ms)，射流火焰的前鋒面褶皺較多、邊緣扭曲，隨后火焰前鋒面發(fā)展成較為平滑的形態(tài).若將火花塞位置點(diǎn)到射流火焰前鋒面定義為火焰的周向發(fā)展方向，將沿火花塞為中心軸線的向前發(fā)展定義為徑向發(fā)展方向，則隨著過(guò)量空氣系數(shù)的增加，火焰的徑向發(fā)展速度vr增大，周向發(fā)展速度vc減小，火焰整體呈現(xiàn)向前發(fā)展的特征.
圖9 不同過(guò)量空氣系數(shù)下，μ和p′的變化曲線Fig.9 Variations of μ and p′ at different air-fuel equivalence ratios
圖10 不同過(guò)量空氣系數(shù)下射流火焰的邊緣發(fā)展特性(p=1.0 MPa)Fig.10 Characteristics of flame fronts at different air-fuel equivalence ratios (p=1.0 MPa)
圖11 不同初始?jí)毫ο?，μ隨時(shí)間的變化曲線Fig.11 Variations of μ under different initial pressures
3.3 初始?jí)毫?duì)火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊?/h3>
不同初始?jí)毫ο?射流火焰面積百分比隨時(shí)間的變化曲線如圖11所示.由圖11可知，同一過(guò)量空氣系數(shù)條件下，初始?jí)毫υ礁?，火焰面積百分比的變化速率越小，射流火焰的發(fā)展速率越慢.當(dāng)λ=0.8時(shí)，不同初始?jí)毫ο碌纳淞骰鹧鎮(zhèn)鞑ニ俾氏嗖钶^大；當(dāng)λ=1.0，1.2，p=0.6，1.0 MPa時(shí)，初始?jí)毫?duì)射流火焰的傳播速度影響較小，2種初始?jí)毫ο碌幕鹧婷娣e百分比變化速率幾乎相同，略高于p=1.5 MPa下的變化速率.提高初始?jí)毫υ谝欢ǔ潭壬弦种屏松淞骰鹧娴南蚯鞍l(fā)展，這可能是由于火焰流體力學(xué)的不穩(wěn)定性隨著初始?jí)毫Φ脑龃蠖鰪?qiáng)導(dǎo)致的.同時(shí)，已燃高溫混合氣體需克服高背壓向外膨脹發(fā)展，阻礙了火焰的傳播，若背壓過(guò)大還可能會(huì)發(fā)生失火的情況.當(dāng)λ=0.8，p=0.6,1.0,1.5 MPa時(shí)，從火焰發(fā)展至達(dá)到穩(wěn)定時(shí)間的差異較大，分別為25，75，125 ms；當(dāng)甲烷/空氣處于化學(xué)當(dāng)量比及相對(duì)稀燃條件下，3種初始?jí)毫η闆r下的火焰幾乎同時(shí)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài).當(dāng)λ=1.0時(shí)，t=50 ms；λ=1.2時(shí)，t=125 ms.這一現(xiàn)象可歸因于初始?jí)毫彤?dāng)量比對(duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊慬11].當(dāng)甲烷/空氣預(yù)混氣體較濃時(shí)，初始?jí)毫?duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣扔绊懗潭容^大，初始?jí)毫Φ慕档涂娠@著提高火焰的傳播速度；隨著甲烷氣體濃度的降低，火焰?zhèn)鞑ニ俣炔辉儆沙跏細(xì)怏w的壓力主導(dǎo)，這也同時(shí)解釋了當(dāng)p=1.5 MPa時(shí)，化學(xué)當(dāng)量比的甲烷/空氣混合氣的火焰發(fā)展速率反而大于較濃混合氣體的現(xiàn)象.
4 結(jié)論
本文探究了初始條件對(duì)定容彈中甲烷/空氣射流火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊?，利用MATLAB軟件進(jìn)行火焰圖像的預(yù)處理，并且提取特征參數(shù)；通過(guò)分析特征參數(shù)-火焰面積百分比及瞬時(shí)壓力曲線得到如下結(jié)論.
(1) 預(yù)燃室火花塞偏置導(dǎo)致射流火焰發(fā)展的不對(duì)稱(chēng)性，這種不對(duì)稱(chēng)性在過(guò)量空氣系數(shù)較小時(shí)呈現(xiàn)出隨著時(shí)間的增加，不對(duì)稱(chēng)性越嚴(yán)重的趨勢(shì).
(2) 射流火焰的傳播速率同時(shí)受到初始?jí)毫εc過(guò)量空氣系數(shù)的影響.當(dāng)過(guò)量空氣系數(shù)較小(λ=0.8)時(shí)，對(duì)初始?jí)毫Φ挠绊懽顬槊舾校闯跏級(jí)毫ι杂性黾?，火焰?zhèn)鞑ニ俾恃杆俳档?
(3) 初始?jí)毫蜻^(guò)量空氣系數(shù)的增加均會(huì)導(dǎo)致射流火焰?zhèn)鞑ニ俾实慕档停⒃谝欢ǔ潭壬嫌绊懥鹘?jīng)預(yù)燃室噴孔后的火焰是否淬熄.
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