劉?軍，王意寶,，許朝陽，王詩文，張洪升，劉子陽，梁興雨

濕壁氛圍甲烷預(yù)混火焰?zhèn)鞑サ目梢暬囼?yàn)研究

劉?軍1，王意寶1,2，許朝陽2，王詩文2，張洪升2，劉子陽2，梁興雨2

(1. 內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力系統(tǒng)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濰坊 261043；2. 天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

針對(duì)壁面油膜對(duì)受限空間內(nèi)預(yù)混火焰燃燒過程的影響機(jī)理，設(shè)計(jì)開發(fā)了基于定容燃燒彈和紋影法的燃燒可視化試驗(yàn)系統(tǒng)，研究了不同初始?jí)毫l件下正十二烷/正十四烷油膜對(duì)甲烷預(yù)混火焰燃燒過程的影響，通過背景建模與背景差分預(yù)處理和粒子群優(yōu)化算法改進(jìn)OTSU自適應(yīng)閾值算法，開發(fā)了一種適用于紋影圖像的火焰輪廓分割算法，基于火焰前鋒面輪廓提取結(jié)果定量研究火焰?zhèn)鞑ニ俣群突鹧婷娣e．結(jié)果表明濕壁氛圍下油膜蒸發(fā)過程對(duì)預(yù)混火焰燃燒過程影響有限，壁面油膜蒸氣對(duì)混合氣當(dāng)量比的影響是預(yù)混火焰燃燒強(qiáng)度的主要影響因素．

甲烷預(yù)混火焰；壁面油膜；火焰?zhèn)鞑ニ俣龋蝗紵龔?qiáng)度；紋影圖像分割

在內(nèi)燃機(jī)燃燒室這一受限空間內(nèi)，燃油噴霧撞擊氣缸套和活塞頭部造成燃油濕壁現(xiàn)象是難以避免的．為提高內(nèi)燃機(jī)的功率密度，現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)向小型強(qiáng)化的方向發(fā)展，燃燒室面容比增大，使噴霧撞壁更加嚴(yán)重．此外，為滿足日益嚴(yán)格的排放法規(guī)要求，低溫燃燒技術(shù)(LTC)得到了廣泛關(guān)注[1-2]．低溫燃燒指的是通過缸內(nèi)混合氣的充分稀釋來降低燃燒溫度，通常與燃油早噴策略聯(lián)合使用．早噴時(shí)刻(90～120°CA BTDC)對(duì)應(yīng)的缸內(nèi)溫度和壓力較低，會(huì)使噴霧蒸發(fā)速度減緩，貫穿距增加，部分燃油附著于燃燒室壁面上加劇濕壁現(xiàn)象[3-4]．研究表明，在中低負(fù)荷工況下會(huì)有高達(dá)50%～70%的早噴燃油附著在缸套表面[5].燃燒室濕壁對(duì)內(nèi)燃機(jī)工作過程的影響是不容忽視的，壁面油膜會(huì)影響燃燒過程以及燃燒產(chǎn)物，最終影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和壽命．此外，小型強(qiáng)化發(fā)動(dòng)機(jī)的高功率密度特征容易引發(fā)敲缸和爆震等問題，減少壁面積碳和附壁油膜，可以有效抑制增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的敲缸傾向[6]．綜上，研究濕壁氛圍下的預(yù)混火焰?zhèn)鞑ミ^程有助于理解壁面油膜對(duì)內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)燃燒的影響機(jī)理從而達(dá)到優(yōu)化內(nèi)燃機(jī)整體性能的最終目的．

預(yù)混火焰?zhèn)鞑ミ^程與內(nèi)燃機(jī)燃燒做功密切相關(guān)，提升火焰?zhèn)鞑ニ俣扔兄诳s短燃燒時(shí)間，增加發(fā)動(dòng)機(jī)放熱率和熱效率．火焰形貌和表面積對(duì)燃燒速度有直接影響，而燃料放熱率(heat release rate，HRR)與火焰?zhèn)鞑ニ俣群突鹧姹砻娣e變化直接相關(guān)，因而在特定條件下增大火焰比表面積可以提高燃燒速率，有效促進(jìn)燃燒[7]．實(shí)際內(nèi)燃機(jī)的燃燒過程發(fā)生在受限空間內(nèi)，火焰發(fā)展過程和形貌特征受燃燒室壁面影響很大．近壁區(qū)域的燃燒過程是復(fù)雜的物理化學(xué)過程的耦合[8]，混合氣初始溫度、壓力、燃料成分、當(dāng)量比、火焰拉伸和近壁區(qū)域氣體動(dòng)力學(xué)參數(shù)以及壁面材質(zhì)、壁面涂層厚度、積碳、壁面幾何參數(shù)等壁面條件均會(huì)影響受限空間內(nèi)的燃燒過程[9]．由于壁面溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于火焰溫度，火焰與冷壁面相互作用過程中由熱傳導(dǎo)和熱輻射主導(dǎo)的熱量損失會(huì)使火焰前鋒面溫度迅速降低，致使燃燒反應(yīng)無法持續(xù)進(jìn)行[10]．火焰與壁面的相互作用會(huì)直接引發(fā)火焰淬熄，使火焰比表面積急劇減小，從而減弱燃燒強(qiáng)度[11]．附壁油膜會(huì)在燃燒過程蒸發(fā)，形成碳?xì)淙剂匣旌蠚獠U(kuò)散于燃燒室混合氣內(nèi)，造成燃燒室內(nèi)混合氣當(dāng)量比發(fā)生改變，并影響燃燒反應(yīng)過程．當(dāng)前針對(duì)濕壁對(duì)燃燒過程影響的研究以數(shù)值模擬為主，Tao等[12]基于一維直接數(shù)值模擬(DNS)研究了厚度1mm的油膜對(duì)近壁區(qū)域燃燒的影響，研究發(fā)現(xiàn)火焰淬熄過程中局部當(dāng)量比基本恒定，初始?jí)毫陀湍し悬c(diǎn)是火焰淬熄過程的主要影響因素．Desoutter等[13]模擬了預(yù)混火焰與20μm厚油膜相互作用的過程，結(jié)果表明火焰在與油膜接觸前即發(fā)生淬熄且淬熄距離遠(yuǎn)大于干壁條件．油膜蒸發(fā)生成的蒸氣會(huì)在近壁區(qū)混合形成超過點(diǎn)火極限的濃混合氣，其淬熄距離由濃燃區(qū)域的厚度決定．綜上所述，濕壁氛圍下預(yù)混火焰燃燒特性與干壁條件存在明顯差異．

甲烷是天然氣的主要成分，在燃燒模擬中經(jīng)常被用作替代燃料[14-16]．本研究使用甲烷/空氣預(yù)混氣作為實(shí)驗(yàn)燃料，對(duì)柴油-天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的燃燒研究具有指導(dǎo)意義．甲烷的當(dāng)量比、預(yù)混條件和安全性比較好控制，可以快速形成預(yù)混火焰，目前關(guān)于甲烷的實(shí)際應(yīng)用的研究也較多．彭仲璟等[17]基于紋影法，研究了直管空間內(nèi)不同當(dāng)量比的甲烷/天然氣火焰?zhèn)鞑ミ^程，研究發(fā)現(xiàn)隨著當(dāng)量比的增加，火焰?zhèn)鞑ニ俣瘸氏仍龊鬁p的趨勢(shì)，火焰面積減小，熱釋放速率下降是火焰?zhèn)鞑ニ俣认陆档闹饕绊懸蛩兀甖hang等[18]研究了密閉容器中甲烷-空氣預(yù)混火焰?zhèn)鞑ヅc壁面油膜之間的相互作用，結(jié)果表明在壁面涂有油膜的情況下，密閉容器內(nèi)的壓力上升率和火焰?zhèn)鞑ニ俣染哂诟杀跅l件．同時(shí)，甲烷與空氣按任何比例混合，燃燒產(chǎn)生的污染物相對(duì)較少，可最大程度避免碳煙等燃燒產(chǎn)物自發(fā)光對(duì)紋影成像的干擾．

由于火焰前鋒面反應(yīng)區(qū)厚度極薄，確定預(yù)混火焰未燃預(yù)熱區(qū)和反應(yīng)區(qū)的邊界是燃燒可視化試驗(yàn)研究的主要難點(diǎn)．?dāng)?shù)字圖像處理算法是火焰輪廓分割的有效手段，但現(xiàn)有研究主要基于火焰自發(fā)光圖像[19-21]開展．火焰自發(fā)光強(qiáng)度主要取決于燃燒生成的未燃芳香烴化合物團(tuán)聚而成的碳黑顆粒的輻射分?jǐn)?shù)[19]，低碳數(shù)氣態(tài)碳?xì)淙剂先紵傻奶紵煗舛容^低，因此火焰自發(fā)光成像效果較差．此外，紋影法的原理是基于光的折射率與反應(yīng)區(qū)流場(chǎng)的密度和溫度場(chǎng)成正比關(guān)系，入射光源經(jīng)過反應(yīng)區(qū)的偏折角度使得不同區(qū)域的成像亮度發(fā)生差異[20]，圖像背景亮度僅取決于紋影光源的亮度，不受火焰自發(fā)光特性的影響，是一種適用于噴霧和低碳數(shù)碳?xì)淙剂先紵^程可視化研究的有效手段．紋影法是包括甲烷在內(nèi)的低碳燃料燃燒可視化研究的有效光學(xué)手段，但紋影圖像與火焰自發(fā)光圖像存在顯著差異，現(xiàn)有的火焰分割算法對(duì)紋影圖像的分割效果較差，需要針對(duì)紋影成像的特點(diǎn)開發(fā)適用于紋影圖像分割的算法．

當(dāng)前針對(duì)火焰與壁面相互作用的實(shí)驗(yàn)研究主要是基于干壁面條件，研究火焰撞壁過程對(duì)火焰形貌、傳播特性以及傳熱特性的影響，無法準(zhǔn)確反映燃燒室內(nèi)實(shí)際情況．研究壁面油膜對(duì)預(yù)混燃燒的影響有助于模擬內(nèi)燃機(jī)燃燒室內(nèi)真實(shí)的工作過程．然而目前針對(duì)濕壁對(duì)燃燒過程影響的研究以數(shù)值模擬為主，缺乏系統(tǒng)性的試驗(yàn)驗(yàn)證．因此，本研究旨在研究不同初始條件下壁面油膜對(duì)預(yù)混火焰燃燒過程的影響，通過可視化實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相關(guān)的數(shù)值模擬結(jié)果．基于定容燃燒彈和紋影成像系統(tǒng)，針對(duì)不同厚度、不同含碳數(shù)的基礎(chǔ)燃料油膜對(duì)受限空間內(nèi)火焰燃燒過程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，開發(fā)了一種適用于紋影圖像的火焰圖像分割算法，基于紋影圖像定量測(cè)量火焰?zhèn)鞑ニ俣群突鹧婷娣e，根據(jù)測(cè)量結(jié)果分析壁面油膜對(duì)預(yù)混火焰燃燒過程的影響機(jī)理．

1?實(shí)驗(yàn)裝置和方法

燃燒可視化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由定容燃燒彈系統(tǒng)、高速相機(jī)-紋影成像系統(tǒng)、缸壓采集系統(tǒng)、同步控制系統(tǒng)以及燃料供給系統(tǒng)組成，圖1為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意．定容燃燒彈內(nèi)部為長(zhǎng)度155mm，直徑140mm的圓柱體，玻璃視窗直徑為125mm．為了模擬內(nèi)燃機(jī)燃燒室受限空間內(nèi)的燃燒過程，將容彈部分空間填充，容彈燃燒室容積為600mL．為防止甲烷燃燒產(chǎn)生的水蒸氣在定容彈視窗上凝結(jié)影響成像效果，在定容彈下端蓋上安裝加熱電阻，用于將彈體溫度穩(wěn)定至353K來模擬發(fā)動(dòng)機(jī)水冷缸套溫度．初始溫度由精度為2K的熱電偶確定，當(dāng)初始溫度為353K時(shí)，相對(duì)誤差為0.56%．采用缸壓傳感器測(cè)定甲烷/空氣混合物的初始?jí)毫?，其精度?.0001MPa，因此，初始?jí)毫?.2MPa時(shí)，初始?jí)毫Φ淖畲笙鄬?duì)誤差為0.05%．火花塞安裝在主燃燒室左壁面中心位置，點(diǎn)火位置距左壁面2mm．層流火焰火核初始位置出現(xiàn)于火花塞跳火位置，因此可以認(rèn)定點(diǎn)火位置與火花塞幾何位置相同．

本研究基于z型布置的反射式紋影儀，通過Photon FASTCAM SA1.1高速相機(jī)采集紋影圖像．紋影系統(tǒng)包含光源、光圈、反射鏡、凹面鏡和刀口，有效通光直徑為300mm，像鑒別率大于40lp/mm，能夠分辨光強(qiáng)變化大于5%的擾動(dòng)流場(chǎng)．高速相機(jī)配備F/4.8鏡頭，幀頻參數(shù)10000幅/s條件下的圖像像素為768×768．為實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火-相機(jī)拍攝-缸壓采集的同步，基于CAN卡和Labview上位機(jī)搭建了同步控制系統(tǒng)．使用純度為99.99%的高純度甲烷-空氣預(yù)混氣(當(dāng)量比＝1)作為實(shí)驗(yàn)燃料．實(shí)驗(yàn)裝置處于暗室環(huán)境，保證各組實(shí)驗(yàn)背景光源亮度相同．結(jié)合紋影成像原理，可從原理上降低背景光源對(duì)算法的影響．

圖1?燃燒可視化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意

實(shí)驗(yàn)開始前，根據(jù)壁面面積與油膜厚度的乘積即為油膜的體積的對(duì)應(yīng)關(guān)系．利用注射器在壁面油膜板上注射厚度所對(duì)應(yīng)體積的油膜，并通過滾針將油膜進(jìn)一步鋪展均勻．為驗(yàn)證油膜涂布的均勻性，采用Infralytic Oilsensor NG2型油膜測(cè)厚儀校驗(yàn)平整處理后的壁面油膜厚度，該儀器基于Lambert-Beer定律，通過光束穿過薄膜后的吸光度來計(jì)算液膜厚度，能準(zhǔn)確快速地測(cè)定金屬表面的油膜厚度，確保油膜厚度的均勻性．油膜靜置一段時(shí)間后，通過該儀器測(cè)量壁面任意20個(gè)點(diǎn)的油膜厚度以檢查厚度均勻性，為確保實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性，進(jìn)行多組重復(fù)操作和測(cè)試，保證油膜厚度分布均勻并開展實(shí)驗(yàn)．圖2展示了0.01mm和0.02mm油膜厚度下各進(jìn)行的3組重復(fù)性測(cè)厚實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，其中，散點(diǎn)代表實(shí)驗(yàn)值，線條代表平均值．該薄膜測(cè)厚儀的測(cè)量精度為0.01μm，初始薄膜厚度范圍為10～20μm，薄膜測(cè)厚的相對(duì)誤差在0.1%以內(nèi)．油膜壁板的加工誤差為0.1mm，體積誤差為1.4mL，最大相對(duì)誤差為0.21%．

圖2?油膜厚度測(cè)量重復(fù)性實(shí)驗(yàn)

濕壁實(shí)驗(yàn)初次進(jìn)行時(shí)，在放入油膜板之前將容彈抽真空，再通入壓縮空氣，直到容彈內(nèi)壓力恢復(fù)常壓，將油膜板放入后快速封閉容彈端蓋，并按照分壓定律通入甲烷和空氣，靜置后進(jìn)行點(diǎn)火；實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，濕壁實(shí)驗(yàn)再次進(jìn)行前，利用壓縮空氣進(jìn)行尾氣掃氣操作，掃氣后打開定容彈端蓋將涂抹油膜的壁板取出，以避免抽真空造成油膜額外蒸發(fā)，再封閉定容彈進(jìn)行抽真空操作，抽真空后再通入空氣進(jìn)行一段時(shí)間的掃氣，壓力處于常壓后，打開端蓋將油膜板放入，通入甲烷和空氣并準(zhǔn)備點(diǎn)火．通過同步控制上位機(jī)同步實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火和紋影圖像采集．

為研究壁面油膜對(duì)燃燒過程的影響機(jī)理，在火焰?zhèn)鞑ヂ窂降南卤诿姘迳贤磕ú煌穸群筒煌紨?shù)的柴油替代燃料油膜進(jìn)行實(shí)驗(yàn)．分別選用正十二烷(C12H26)和正十四烷(C14H30)作為柴油替代燃料．考慮到實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)噴霧濕壁的油膜厚度范圍為0.01～0.05mm[13]，本文中設(shè)置油膜厚度0為0.01mm、0.02mm．

2?火焰輪廓分割

為定量研究火焰?zhèn)鞑ヌ匦院徒Y(jié)構(gòu)特性，本研究基于MATLAB軟件開發(fā)了一種適用于紋影圖像的組合式火焰輪廓分割算法．該算法主要包括紋影圖像預(yù)處理、背景建模與更新、背景差分和圖像分割4個(gè)步驟．此外，為進(jìn)一步提高算法的運(yùn)行效率，還采用粒子群優(yōu)化算法(PSO)對(duì)背景建模與差分步驟進(jìn)行了優(yōu)化．

本研究采用的火焰輪廓分割方法基于圖像的灰度值，結(jié)合實(shí)驗(yàn)圖像和層流火焰實(shí)際物理特性可知，火焰前鋒面/火焰反應(yīng)區(qū)與其他區(qū)域灰度值存在極大差異，圖像背景亮度的微小差異對(duì)火焰前鋒面分割效果無實(shí)際影響．且本研究在執(zhí)行圖像閾值分割計(jì)算前對(duì)目標(biāo)圖像進(jìn)行了背景差分預(yù)處理，可以進(jìn)一步減弱背景光源的干擾．

2.1?紋影圖像火焰分割算法

火焰紋影圖像處理過程包括4個(gè)步驟，即紋影圖像的預(yù)處理、背景建模與更新、背景差分以及基于自適應(yīng)閾值的圖像分割，其流程示意如圖3所示．在預(yù)處理階段，首先將原始紋影圖像進(jìn)行裁剪，保留包含有效信息(即火焰輪廓)的部分(圖3(a))，以縮短處理時(shí)間、提高處理效率，然后對(duì)RGB圖像進(jìn)行灰度化處理(消除其色彩信息)，得到灰度圖(圖3(b))，接著利用Surendra算法進(jìn)行背景建模與更新，基于上述結(jié)果進(jìn)行背景差分法運(yùn)算，分割背景與運(yùn)動(dòng)部分(火焰鋒面)，結(jié)果如圖3(c)所示，然后利用OTSU自適應(yīng)閾值算法提取差分圖像的閾值，實(shí)現(xiàn)火焰反應(yīng)區(qū)的二值化分割，進(jìn)一步分離背景和目標(biāo)、壓縮圖像大小，得到二值化圖像(圖3(d))，同時(shí)對(duì)圖像進(jìn)行形態(tài)學(xué)開閉運(yùn)算處理，去除背景中雜散點(diǎn)和噪聲干擾(圖3(e))，最終得到二值化圖像中的火焰反應(yīng)區(qū)(圖3(f))．

圖3?紋影圖像處理流程

如前所述，實(shí)驗(yàn)部分的高速相機(jī)焦距固定不變，因此可以選用背景差分法[22]作為預(yù)處理手段，以便去除紋影圖像中的背景，增強(qiáng)閾值分割效果．該方法將圖像與預(yù)先選定的背景圖像進(jìn)行逐像素的像素值數(shù)值差分計(jì)算，去除與背景像素值相同的像素點(diǎn)從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)對(duì)應(yīng)像素的分割．通常將過程開始前的最后一幀無火焰圖像作為初始背景．背景差分運(yùn)算的數(shù)學(xué)描述：

式中：D()代表坐標(biāo)()像素的背景差分運(yùn)算結(jié)果；P()代表當(dāng)前幀圖像中()坐標(biāo)的像素灰度值；B(，)代表背景圖像中(，)坐標(biāo)的像素灰度值.

背景差分算法的固有缺陷是實(shí)際背景像素值由于燃燒過程中環(huán)境氣體密度的變化而不斷變化，紋影光源的頻閃和外部光照的亮度變化也會(huì)對(duì)圖像差分運(yùn)算結(jié)果產(chǎn)生影響．傳統(tǒng)的背景差分算法不能適應(yīng)環(huán)境的變化，難以準(zhǔn)確地分割出火焰的輪廓．因此需要建立能隨時(shí)間自適應(yīng)更新的背景模型，實(shí)現(xiàn)背景模型的實(shí)時(shí)更新．本研究采用Surendra自適應(yīng)背景更新算法實(shí)現(xiàn)背景圖像的實(shí)時(shí)更新建模．Surendra算法基于相鄰兩幀圖像的幀間差分運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行背景建模，該方法對(duì)背景噪聲有較好的抑制作用[23]．而對(duì)于間隔周期足夠短的連續(xù)幀圖像來說，相鄰幀像素的幀間差分結(jié)果精度在容許的誤差以內(nèi)[24-25]，可以認(rèn)為相鄰兩幀圖像間的背景相同．在本研究10000幅/s的幀頻參數(shù)條件下，計(jì)算了不同時(shí)刻相鄰兩幀圖像間的背景區(qū)域平均像素灰度值方差，計(jì)算結(jié)果均小于1%．因此，可以認(rèn)為相鄰兩幀間的背景誤差是可接受的．Surendra算法的原理是對(duì)差分運(yùn)算結(jié)果的像素灰度值進(jìn)行判斷，如果坐標(biāo)()處差分圖像D()的灰度值大于設(shè)定的閾值TH，則背景圖像對(duì)應(yīng)坐標(biāo)像素B()的灰度值保持不變，否則需要對(duì)B()像素對(duì)應(yīng)值進(jìn)行更新，即利用相鄰兩幀的灰度值做線性插值，其表達(dá)式：

式中：為背景更新速度，經(jīng)對(duì)比驗(yàn)證，背景更新速度取＝0.1可達(dá)到最佳效果．

二值化處理是基于像素灰度直方圖分割火焰輪廓方法的必要前置步驟．具體地，將圖中所有灰度值大于閾值TH的點(diǎn)的灰度置為極大值，小于則置為極小值，因此閾值的選取直接影響圖像的二值化分割效果．最大類間方差法(OTSU算法)[26]是一種無監(jiān)督的閾值分割算法，在背景差分預(yù)處理灰度圖像的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)閾值分割．根據(jù)灰度圖像的特性，以門限閾值TH將圖像中的像素按灰度值大小分為前景(目標(biāo))區(qū)域FG和背景區(qū)域BG兩部分，基于圖像灰度直方圖中前景像素和背景像素的最大類間方差值尋找最佳的圖像分割閾值．其表達(dá)式：

式中：為灰度級(jí)個(gè)數(shù)；n為灰度值為的像素個(gè)數(shù)；p為灰度值為的像素出現(xiàn)概率；0為前景區(qū)像素的概率分布；1為背景區(qū)像素的概率分布；0為前景區(qū)像素平均灰度值；1為背景區(qū)像素平均灰度值；為像素總體平均灰度值．

前景與背景像素灰度值間的最大類間方差()是閾值變量的函數(shù)，如式(9)所示．類間方差表達(dá)式()最大值對(duì)應(yīng)的TH值即為圖像的二值化分割閾值．

由于最大類間方差法計(jì)算最優(yōu)閾值TH通過窮舉實(shí)現(xiàn)，圖像分割過程速度較慢，故引入粒子群優(yōu)化算法加快閾值計(jì)算過程．粒子群算法中的粒子定義為在維解空間中初始化的個(gè)隨機(jī)解，第個(gè)粒子具有初始的位置X和速度向量V：

為驗(yàn)證該算法的可靠性，基于閾值分割結(jié)果提取二值圖像上火焰反應(yīng)區(qū)前鋒面坐標(biāo)并在初始圖像上標(biāo)記前鋒面對(duì)應(yīng)坐標(biāo)的像素值，不同等效半徑下的火焰前鋒面分割結(jié)果如圖4所示，證明該方法可以準(zhǔn)確提取火焰前鋒面邊界輪廓，分割精度為±1像素．

圖4?火焰輪廓算法分割可靠性驗(yàn)證

2.2?火焰?zhèn)鞑?shù)定義

式中：up和down分別為火焰前鋒面與側(cè)壁的上、下相交點(diǎn)火焰鋒面位置；a、b、c分別為火焰前鋒面位置.實(shí)驗(yàn)中容彈空間的下側(cè)壁長(zhǎng)度為72.5mm，對(duì)應(yīng)173個(gè)像素，因此像素等效長(zhǎng)度為＝0.42mm．根據(jù)火焰前鋒面處的像素坐標(biāo)值乘以像素長(zhǎng)度，所得的即為實(shí)際的火焰鋒面位置．火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊牟淮_定性，主要與從火焰照片中推導(dǎo)火焰前緣有關(guān)．本研究中每10張圖像提取一次火焰前緣位置，時(shí)間間隔為5ms，因此單像素不確定性造成的誤差約為0.084m/s.

3?結(jié)果與討論

3.1?火焰?zhèn)鞑ミ^程形貌特性

為研究濕壁氛圍對(duì)甲烷預(yù)混火焰?zhèn)鞑ミ^程形貌特征的影響，針對(duì)不同初始?jí)毫?、不同種類和厚度的壁面油膜條件下的火焰?zhèn)鞑ミ^程進(jìn)行研究．圖5為不同等效半徑下的火焰?zhèn)鞑ミ^程紋影圖像．在等效半徑低于30mm的情況下，火焰前鋒面形貌為標(biāo)準(zhǔn)半球形，火焰面隨著火焰的發(fā)展拉伸，火焰對(duì)稱性隨著與下壁面接觸的過程下降，火焰鋒面發(fā)生傾斜，近壁區(qū)火焰鋒面的傳播速度下降．隨著火焰半徑的增加，火焰前鋒面曲率半徑下降，上部鋒面形成平焰鋒．隨著背壓的增加，火焰前鋒面穩(wěn)定性下降，火焰表面破碎程度加?。?.4MPa初始?jí)毫l件下火焰表面會(huì)在等效半徑大于40mm的情況下出現(xiàn)裂紋，隨著火核的發(fā)展火焰表面裂紋擴(kuò)大，受高壓和壁面?zhèn)鳠岬裙餐饔?，撞壁火焰表面出現(xiàn)褶皺并生成大量晶胞結(jié)構(gòu)，生成不穩(wěn)定型火焰．在等效半徑大于30mm的條件下，0.2MPa的初始?jí)毫φ榉諊碌幕鹧媲颁h面曲率較其他工況顯著增加，近壁區(qū)域的火焰鋒面局部半徑降低．受壁面影響，定容彈空間內(nèi)的火焰形貌與標(biāo)準(zhǔn)球形自由火焰存在顯著差異，形貌發(fā)展過程與封閉直管通道中的火焰?zhèn)鞑ハ嗨芠17]．但由于本研究燃燒室的長(zhǎng)寬比有限，火焰在形成經(jīng)典的郁金香火焰的階段前即發(fā)生撞壁．火焰?zhèn)鞑ミ^程可以分為4個(gè)階段：半球形火焰?zhèn)鞑ルA段、指狀火焰?zhèn)鞑ルA段、平焰鋒階段和火焰撞壁階段．

根據(jù)層流預(yù)混火焰一維結(jié)構(gòu)模型[27]，紋影圖像中火焰的內(nèi)邊緣為混合氣未燃區(qū)域的前鋒面，而圖像中火焰外邊緣代表溫度梯度變化率最高的位置，即火焰自發(fā)光圖像中的火焰前鋒面位置，紋影圖像中火焰鋒面的黑色區(qū)域代表層流預(yù)混火焰的反應(yīng)區(qū)域．紋影圖像分析結(jié)果表明，隨著燃燒初始?jí)毫υ龃?，紋影圖像中火焰鋒面黑色區(qū)域厚度增加，火焰反應(yīng)區(qū)面積增大．相同初始背壓條件下，不同的壁面油膜氛圍的火焰形貌發(fā)展具有高度一致性，濕壁氛圍不會(huì)對(duì)預(yù)混火焰形貌造成明顯差異．但是隨著環(huán)境背壓的增加，氣體擴(kuò)散過程受到抑制，表現(xiàn)為0.4MPa壓力條件下火焰等效半徑變化過程較0.2MPa壓力條件滯后．

3.2?火焰?zhèn)鞑ヌ匦苑治?/h3>

結(jié)合紋影法和圖像處理算法定量測(cè)量火焰?zhèn)鞑ニ俣萴，圖6為不同條件火焰前鋒面?zhèn)鞑ニ俣入S時(shí)間變化關(guān)系．對(duì)各個(gè)時(shí)刻的速度進(jìn)行線性擬合，可以發(fā)現(xiàn)不同工況下m均隨時(shí)間呈線性下降的趨勢(shì)．通過圖6可以看出，0.4MPa初始?jí)毫ο卤诿嬗湍?duì)m無明顯影響．隨著初始?jí)毫Φ慕档停?.2MPa背壓下干壁和正十四烷氛圍下的火焰?zhèn)鞑ニ俣仍黾?，火焰加速度增大，但正十二烷油膜條件下的m顯著降低且該條件下的火焰?zhèn)鞑r(shí)間增加．正十四烷對(duì)m無顯著影響，同種油膜條件不同油膜厚度下的火焰?zhèn)鞑ニ俣纫矡o明顯差異．正十二烷油膜沸點(diǎn)相對(duì)較低，蒸發(fā)量相對(duì)較大，可以更顯著體現(xiàn)濕壁的影響．圖7對(duì)比了干壁條件和濕壁條件(0.01mm正十二烷)下的缸壓曲線，初始?jí)毫?.2MPa時(shí)，由于正十二烷大量蒸發(fā)，熱量損失相對(duì)較大，從而導(dǎo)致濕壁條件下的火焰速度低于干壁條件；而火焰?zhèn)鞑ズ笃谟捎谡閰⑴c燃燒，濕壁條件下的火焰速度高于干壁條件．缸壓曲線與火焰?zhèn)鞑ニ俣入S時(shí)間變化的規(guī)律一致．初始?jí)毫?.4MPa時(shí)，干壁條件和濕壁條件下的缸壓曲線和火焰?zhèn)鞑ニ俣染鶡o明顯差異．

圖5?初始?jí)毫?.2MPa和0.4MPa時(shí)不同壁面油膜條件下的火焰?zhèn)鞑ミ^程

圖6?不同壁面油膜條件對(duì)甲烷預(yù)混火焰?zhèn)鞑ミ^程中火焰前沿速度的影響

圖7　　干壁條件和濕壁條件下(0.01mm正十二烷)缸壓對(duì)比

圖8　　不同壁面油膜條件對(duì)甲烷預(yù)混火焰?zhèn)鞑ミ^程中火焰平均傳播速度的影響

圖9　　不同壁面油膜條件下火焰平均傳播速度隨火焰等效半徑變化

在其他變量相同的情況下，濕壁氛圍不同厚度的油膜對(duì)火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊懖幻黠@，結(jié)合相關(guān)的數(shù)值模擬結(jié)果[13]和油膜的理化性質(zhì)，油膜氣化吸熱過程對(duì)預(yù)混火焰燃燒強(qiáng)度的影響有限．而油膜蒸發(fā)形成的濃混合氣使火焰前鋒面當(dāng)量比增加，在初始當(dāng)量比為化學(xué)計(jì)量當(dāng)量比的條件下，預(yù)混火焰燃燒速度隨當(dāng)量比的增加呈下降趨勢(shì)．結(jié)合圖5中正十二烷油膜氛圍近壁區(qū)域火焰?zhèn)鞑ニ俣蕊@著減低的現(xiàn)象，說明正十二烷蒸氣參與了燃燒反應(yīng)過程．沸點(diǎn)較低的正十二烷油膜更容易發(fā)生相變，因此正十二烷油膜對(duì)燃燒反應(yīng)影響明顯．隨著背壓增加，油膜蒸發(fā)溫度增大，相變過程受到抑制，較高的背壓抑制了近壁區(qū)域油膜蒸氣的擴(kuò)散過程，濃混合氣被限制在近壁區(qū)域．因此在0.4MPa初始?jí)毫l件下，不同壁面油膜條件下的火焰?zhèn)鞑ヌ匦越?，壁面油膜?duì)預(yù)混火焰燃燒過程影響隨燃燒室背壓的增加而降低．

3.3?基于放熱率研究

為了進(jìn)一步研究油膜對(duì)火焰?zhèn)鞑ミ^程的影響機(jī)理，研究不同壁面油膜條件對(duì)火焰燃燒強(qiáng)度的影響．火焰形貌和面積與燃燒強(qiáng)度存在直接關(guān)系，根據(jù)圖5，在火焰接觸右側(cè)壁面前不同條件的火焰形貌特征無明顯差別，因此不同條件下的火焰面積變化規(guī)律可以解釋壁面油膜對(duì)火焰燃燒強(qiáng)度影響機(jī)理．圖10為不同條件下火焰面積隨時(shí)間變化關(guān)系．可以發(fā)現(xiàn)燃燒過程初期火焰面積隨時(shí)間呈指數(shù)增長(zhǎng)，在等效半徑大于30mm的情況下，受壁面擠壓抑制火焰面積變化率隨時(shí)間降低，與自由膨脹的標(biāo)準(zhǔn)球形火焰加速傳播特性存在差異．相同初始?jí)毫l件下正十四烷油膜條件下火焰面積隨時(shí)間變化曲線與干壁面條件無明顯差別，隨著油膜厚度的增加，火焰面積變化率略有降低．初始?jí)毫?.4MPa的條件下，不同壁面條件下的火焰面積隨時(shí)間變化規(guī)律均呈現(xiàn)高度一致性，火焰面積隨時(shí)間變化率呈先增加后減小的趨勢(shì)，火焰破碎程度對(duì)火焰面積無顯著影響．不同環(huán)境背壓下不同厚度的正十四烷油膜氛圍下的火焰面積均與干壁面近似．但是在0.2MPa背壓條件下，正十二烷油膜氛圍的火焰面積變化率明顯降低，隨著正十二烷油膜厚度的增加，火焰面積下降明顯．

由于火焰面積與燃燒放熱率直接相關(guān)[7]，因此不同壁面條件下火焰面積變化曲線可以用來表征燃料的整體熱釋放特性．在當(dāng)量比大于1的條件下，燃燒放熱率隨著當(dāng)量比增加而降低，對(duì)應(yīng)火焰面積變化率下降．根據(jù)火焰與壁面油膜相互作用的物理模型，壁面油膜在蒸發(fā)的過程中吸熱，在壁面溫度恒定的條件下，壁面油膜蒸發(fā)過程會(huì)使火焰反應(yīng)區(qū)的溫度降低，燃燒強(qiáng)度下降，進(jìn)而表現(xiàn)為火焰?zhèn)鞑ニ俣冉档停送?，油膜相變過程形成的蒸氣會(huì)在壁面附近形成濃燃區(qū)域，預(yù)熱區(qū)未燃混合氣的當(dāng)量比增加．由于壁面油膜蒸發(fā)過程受背壓的影響，隨著背壓降低，油膜蒸發(fā)溫度降低．通過不同初始?jí)毫ο碌幕鹧婷娣e變化曲線，可以看出油膜蒸發(fā)主要受背壓控制，焰壁作用對(duì)油膜蒸發(fā)過程影響較小．結(jié)合0.4MPa初始?jí)毫ο禄鹧婷娣e變化率隨油膜厚度增加而略有下降，不同壁面油膜條件下的火焰面積隨時(shí)間變化曲線呈現(xiàn)高度一致性，說明壁面油膜相變過程中火焰前鋒面的熱損失對(duì)燃燒強(qiáng)度的影響有限．0.2MPa初始?jí)毫φ橛湍l件下的火焰面積變化率從燃燒初始時(shí)刻起顯著低于其他工況，在火焰遠(yuǎn)離壁面的半球形火焰定速傳播階段，火焰反應(yīng)區(qū)前鋒面未與油膜直接接觸的情況下油膜蒸發(fā)過程熱損失的影響較?。?.2MPa初始?jí)毫ο禄鹧嫒紵龔?qiáng)度的顯著差異說明該工況下的當(dāng)量比與其他工況相比存在顯著區(qū)別，說明在油膜相變吸熱對(duì)燃燒強(qiáng)度有限的前提下，壁面油膜在與火焰接觸前大量蒸發(fā)形成濃混合氣．該現(xiàn)象驗(yàn)證了火焰-濕壁面相互作用的模擬研究結(jié)果[12-13]，證明壁面油膜蒸氣對(duì)混合氣當(dāng)量比的影響是影響火焰燃燒強(qiáng)度的主導(dǎo)因素．

圖10　　不同壁面油膜條件對(duì)甲烷預(yù)混火焰?zhèn)鞑ミ^程火焰面積的影響

4?結(jié)?論

(1) 基于surendra背景建模算法、背景差分算法、OTSU自適應(yīng)閾值算法和粒子群算法提出了一種適用于紋影圖像的火焰前鋒面輪廓分割方法，可以準(zhǔn)確分割出火焰前鋒面區(qū)域．其中surendra算法的背景更新速度值為0.1．

(2) 壁面油膜對(duì)預(yù)混火焰形貌特征無明顯的影響，在低背壓下低碳數(shù)油膜火焰前鋒面的曲率增加，近壁區(qū)域火焰?zhèn)鞑ニ俣认陆担S著環(huán)境背壓的增加，火焰表面的破碎程度加劇，火焰前鋒面反應(yīng)區(qū)厚度增加，燃燒強(qiáng)度增大．

(3) 隨著壁面油膜厚度的增加，相同條件下的火焰?zhèn)鞑ニ俣冉档?，隨著環(huán)境背壓的增加，油膜蒸發(fā)和油膜蒸氣擴(kuò)散受到抑制，壁面油膜對(duì)火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊懡档停湍ず穸葘?duì)火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懖幻黠@，而油膜蒸發(fā)造成混合氣當(dāng)量比增加是影響火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘闹饕蛩兀?/p>

(4) 高環(huán)境背壓下不同壁面油膜氛圍下的火焰面積隨時(shí)間變化曲線呈現(xiàn)高度一致性，但隨著環(huán)境背壓的降低，低碳數(shù)油膜條件下的火焰面積變化率顯著降低．相同條件下的火焰面積隨油膜厚度增加而降低．濕壁氛圍下預(yù)混火焰燃燒強(qiáng)度受油膜蒸發(fā)過程中的熱損失的影響，同時(shí)油膜蒸氣也會(huì)影響混合氣當(dāng)量比及燃燒化學(xué)反應(yīng)過程進(jìn)而影響燃燒反應(yīng)強(qiáng)度．其中后者是影響燃燒反應(yīng)強(qiáng)度的主導(dǎo)因素．

［1］ Yao Mingfa，Zheng Zhaolei，Liu Haifeng. Progress and recent trends in homogeneous charge compression ignition(HCCI)engines[J].，2009，35(5)：398-437.

［2］ 蘇萬華，鹿盈盈，于文斌，等. 柴油機(jī)高密度-低溫燃燒的數(shù)值模擬[J]. 燃燒科學(xué)與技術(shù)，2010，16(3)：191-198.

Su Wanhua，Lu Yingying，Yu Wenbin，et al. Numerical simulation on high density-low temperature combustion in diesel engines[J].，2010，16(3)：191-198(in Chinese).

［3］ Moreira A L N，Moita A S，Pan?o M R. Advances and challenges in explaining fuel spray impingement：How much of single droplet impact research is useful?[J].，2010，36(5)：554-580.

［4］ Tang Qinglong，Liu Haifeng，Li Mingkun，et al. Optical study of spray-wall impingement impact on early-injection gasoline partially premixed combustion at low engine load[J].，2017，185：708-719.

［5］ Ryan T. Low Emissions Combustion：One Path Forward[R]. San Antonio：Southwest Research Institute，2005.

［6］ Zhen Xudong，Wang Yang，Xu Shuaiqing，et al. The engine knock analysis：An overview[J].，2012，92：628-636.

［7］ Wu Han，Wang Lili，Wang Xi. The effect of turbulent jet induced by pre-chamber sparkplug on combustion characteristics of hydrogen-air pre-mixture[J].，2018，43：8116-8126.

［8］ Sotton J，Boust B，Labuda S A，et al. Head-on quenching of transient laminar flame：Heat flux and quenching distance measurements[J].，2005，177(7)：1305-1322.

［9］ Bellenoue M，Kageyama T，Labuda A S，et al. Direct measurement of laminar flame quenching distance in a closed vessel[J].，2003，27(3)：323-331.

［10］ Yenerdag B，Minamoto Y，Aoki K，et al. Flame-wall interactions of lean premixed flames under elevated，rising pressure conditions[J].，2017，189：8-14.

［11］ Najim Y M，Mueller N，Wichman I S. On premixed flame propagation in a curved constant volume channel[J].，2015，162：3980-3990.

［12］ Tao Mingyuan，Ge Haiwen，VanDerWege B，et al. Fuel wall film effects on premixed flame propagation，quenching and emission[J].，2020，21(6)：1055-1066.

［13］ Desoutter G，Guenot B，Habchi C. Interaction of a premixed flame with a liquid fuel film on a wall[J].，2004，30(1)：259-266.

［14］ Wang D，Ji C W，Wang S F，et al. Experimental investigation on near wall ignited lean methane/hydrogen/air flame[J].，2019，168(1)：1094-1103.

［15］ Liu H，Wang Z，Qi Y L，et al. Experiment and simulation research on super-knock suppression for highly turbocharged gasoline engines using the fuel of methane[J].，2019，182(1)：511-519.

［16］ 梁興雨，李?暢，王?昆，等. 壁面油膜對(duì)甲烷預(yù)混氣燃燒特性和排放的影響[J]. 燃燒科學(xué)與技術(shù)，2021，27(3)：242-248.

Liang Xingyu，Li Chang，Wang Kun，et al. Effects of wall film on combustion characteristics and emissions of premixed methane flame[J].，2021，27(3)：242-248(in Chinese).

［17］ 彭仲璟，熊?濤，段強(qiáng)領(lǐng)，等. 封閉矩形直管內(nèi)的天然氣/空氣預(yù)混火焰?zhèn)鞑J]. 燃燒科學(xué)與技術(shù)，2016，22(5)：419-425.

Peng Zhongjing，Xiong Tao，Duan Qiangling，et al. Premixed flame propagation of natural gas/air mixtures in a closed rectangular tube[J].，2016，22(5)：419-425(in Chinese).

［18］ Zhang H S，Liang X Y，Wang K，et al. Experimental study on the interaction between flame propagation and wall film in a confined vessel[J].，2021，302：121132.

［19］ Kim C H，El-leathy A M，Xu F，et al. Soot surface growth and oxidation in laminar diffusion flames at pressures of 0.1-1.0atm[J].，2004，136(1/2)：191-207.

［20］ Reimann J，Kuhlmann S A，Will S. Improvement in soot concentration measurements by laser-induced incandescence(LII)through a particle size correction [J].，2008，153(4)：650-654.

［21］ 楊仲卿，謝江浩，張?力，等. 壁面作用下預(yù)混火焰淬熄及OH自由基分布特性[J]. 工程熱物理學(xué)報(bào)，2017，38(4)：781-786.

Yang Zhongqing，Xie Jianghao，Zhang Li，et al. Characteristics of the distribution and quenching of OH radical of premixed flame in the presence of wall[J].，2017，38(4)：781-786(in Chinese).

［22］ Mao Meng，Zhang Yong，Wang Boyue，et al. Vehicle detection through traffic video in congested traffic flow[C]//6(). Guangzhou，China，2016：247-256.

［23］ Zhang Xuewu，Ling Mingqiang，Zhou Zhuoyun，et al. Motion target detection of birds based on adaptive background update mechanism[J].，2014，2865：333-337.

［24］ 嚴(yán)云洋，唐巖巖，郭志波，等. 融合色彩和輪廓特征的火焰檢測(cè)[J]. 微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2011，28(10)：137-145.

Yan Yunyang，Tang Yanyan，Guo Zhibo，et al. Fusion of flame color and its contour for fire detection[J].，2011，28(10)：137-145(in Chinese).

［25］ Gimeno J，Bracho G，Marti-Aldaravi P，et al. Experimental study of the injection conditions influence over n-dodecane and diesel sprays with two ECN single hole nozzles，Part (Ⅰ)：Inert atmosphere[J].，2016，126：1146-1156.

［26］ Otsu N. A threshold selection method from gray-level histograms[J].，，1979，9(1)：62-66.

［27］ 尚融雪，楊?悅，高俊豪，等. 摻氫天然氣層流火焰?zhèn)鞑ニ俣仍囼?yàn)研究[J]. 中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2019，29(11)：103-108.

Shang Rongxue，Yang Yue，Gao Junhao，et al. Experimental study on laminar flame speed of H2/CH4/air mixtures[J].，2019，29(11)：103-108(in Chinese).

Visualized Experimental Research on the Propagation of Methane Premixed Flame in Wet Wall Atmosphere

Liu Jun1，Wang Yibao1,2，Xu Zhaoyang2，Wang Shiwen2，Zhang Hongsheng2，Liu Ziyang2，Liang Xingyu2

(1. State Key Laboratory of Engine and Powertrain System，Weifang 261043，China；2. State Key Laboratory of Engines，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

Aiming at the influence mechanism of wall fuel film on the propagation process of premixed flame in confined space，a combustion experiment visualization system based on constant volume combustion vessel and schlieren method was designed and developed. The effect of n-dodecane/n-tetradecane fuel film on the combustion process of methane premixed flame under different initial pressures was studied. The OTSU adaptive threshold algorithm was improved through background modeling，background differential preprocessing and particle swarm optimization algorithm，and a flame contour segmentation algorithm suitable for schlieren images was developed. Based on the extraction results of the flame front contour，the flame propagation speed and flame area were quantitatively studied. The results show that the fuel film evaporation process has limited influence on the premixed flame combustion process in the wet wall atmosphere，and the influence of the wall fuel film vapor on the mixture equivalent ratio is the main reason for the change in combustion intensity.

methane premixed flame；wall fuel film；flame propagation speed；burning intensity；schlieren image segmentation

TK11

A

1006-8740(2023)02-0209-11

10.11715/rskxjs.R202111022

2022-01-09．

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51976135)；內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力系統(tǒng)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)開放基金資助項(xiàng)目(SKLER-202004).

劉?軍（1987—??），男，碩士，liujun02@weichai.com.

梁興雨，男，博士，教授，lxy@tju.edu.cn.

(責(zé)任編輯：梁?霞)