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基于图像处理的乳化喷气燃料火焰表征

罗咏兴

南京信息工程大学网络工程专业，江苏 南京 210044

摘要：这项工作描述了一种RGB数字图像处理方法的乳化喷气燃料火焰，允许表征燃烧现象在新燃料的情况下，通过彩色化学发光测量。通过应用RGB技术，火焰的图像处理揭示了有效和成本有效的技术用于确定相关化学物种，如CH *和C2*，当量比和温度估计的有用参数。

含喷气燃料的第二代乳化航空燃料是同时推进和减少污染的挑战，伴随着成本的降低和化石燃料的依赖。测试新燃料通常需要昂贵的设备和可靠的调查技术，而图像处理被证明是一种可靠的方法来估计燃烧化学物质和温度在经典燃料的情况下。

针对乳化喷气燃料的燃烧特性，采用共环形喷雾燃烧器，采用UV-Vis光谱仪和火焰照相技术对其进行了复杂的研究。RGB图像处理技术与更复杂的诊断工具，如光谱仪显示出良好的一致性。

关键词：图像处理；乳化射流燃料；火焰

1．介绍

从直接喷射水的实践出发，在没有任何蒸发问题的情况下，涡轮增压器的推力增大，作为有效的压缩机温度控制技术^[1][2]，显示了喷水燃料乳剂的积极作用，例如相反应稀释和二次雾化，随后的污染物排放和烟尘产量减少，甚至改善波动性。一些研究涉及乳液稳定性和不同性质的时间演化^[3]，乳液的雾化，但与燃烧的结果相矛盾，可能是由于使用不同的乳化剂和它们的协同作用^[4]。使用新的具有低环境影响的乳化喷气燃料延迟了许多因素，例如缺乏关于乳化稳定性的综合和连贯的解释、对烟尘抑制的最佳含水量、废气中较高的CO2浓度、增加点火DEL^[35。含水量、燃烧效率的提高、乳化液火焰的均匀温度和浓度分布，并预测火焰尺寸和温度的降低^[6]。

通过对旋流燃烧射流A-1的光谱发射特性进行了实验研究，为燃烧室内部光学传感器的后期设计提供了与燃烧性能相关的化学发光特性的有价值的信息^[7]。结果表明，CH *强度随当量比和进气温度的增加而减小，而C2*强度随着混合物的增加而增加，而入口空气温度升高。更有趣的是，C2*和CH *之间的比值呈现出与当量比的线性变化^[8]。

利用7.1型CMOS摄像机及其软件对四冲程汽油直喷发动机进行燃烧温度和烟尘负荷的比色测温技术估算。他们使用具有固定碳烟浓度值的内插和用可变碳烟浓度作图，从火焰温度可以从光强比估计的事实开始，并且色比高温计对由量子化得到的问题不敏感。强度测量^[9]。

利用数码相机和图像处理技术对火焰颜色特性进行了深入研究，得到了在可见光和红外光谱中，RGB模型中的平均B值和G值以及甲烷和乙烯火焰的CH *和C2*发射之间的相关性。另一个有趣的观察是预混火焰中B/G比和当量比的对应关系。传统的数码相机被证明是简单、有效、廉价的捕捉火焰图像的工具，有助于获得重要信息^[10]。

在RGB图像处理和计算技术的复杂系统上，对火焰稳定性进行了全面的研究，表明它能够建立诸如点火点、亮度、振荡频率和温度分布的火焰参数。研究小组发现，温度测量的精度不受曝光时间的变化的影响，因此不需要对不同的相机曝光时间进行系统校准^[11]。研究还表明，在双色法的情况下，观察距离与温度的确定无关，而相机孔径影响景深和光量。

针对高精度实时测量当量比^[12]，着重分析了测量方法对化学发光和当量比图的影响，并建立了显著的影响，并通过理论计算对不同的COMPUS进行了支持制度。

在表征燃烧化学发光时，设法将普通CCD相机的单个RGB图像数据转换为预混合甲烷和丙烷气体的可靠诊断技术。他们证明，不仅蓝和绿代表火焰CH和C2排放，而且空气/燃料比在0.8和1.4之间^[13]。

有一种用图像颜色检测CH和C2浓度的灵活模型，从彩色滤光片阵列方案开始，并简化了预混烃火焰的颜色由430和516 nm波长产生的假设。得到敏感和不灵敏G（绿色）通道的化学发光表达式^[14]。进行了校准，发现430 nm的CH发射被B通道检测，而516 nm的C2发射被检测到G和B通道，R不能覆盖任何种类的发射。利用Matlab将RGB数字图像颜色转换为HSV，所提出的颜色计算化学发光方法对燃料/空气比的测定是准确的。

利用MATLAB中的RGB和YCbCr图像分量，采用90～100%的检测率，开发了一种基于视觉的火灾识别系统。经过六个阶段的图像处理，YCBCER颜色方法被证明优于RGB在有效地分离亮度（光强）与色度（光与青色和青蓝），从而更好地区分火焰/火灾从他们的周围^[14]。

考虑到需要快速、相对廉价和容易的火焰诊断技术，这将允许对越来越多的数量和体积的创新燃料进行可靠的测试，RGB图像处理也可以证明其在第二代航空燃料的情况下的准确性。为了解决这一问题，本文着重研究了火焰RGB图像处理技术在涡轮喷气乳化燃料混合物中的应用，而不是传统的煤油燃料，以减少污染物排放，而不影响燃烧效率。这是通过全套实验火焰调查，通过应用RGB图像处理到一个共环形喷雾燃烧器燃料喷气燃料及其乳液^[15]。

2．实验

以工业煤油为原料制备乳化喷气燃料，将其与5—40%蒸馏水和1—5%跨80（Sigma Aldrich）表面活性剂混合，超声搅拌HielsHER，200小时，水浓度4～48 h。用徕卡光学显微镜检测内部乳液结构，最大放大率为1000^[16]。

火焰是用一个带环形冷却燃烧器的共环形喷雾燃烧器产生的，它产生了层流预混甲烷/空气导向火焰。设置包括气体辅助雾化器与毛细管（MiN InN＝0.3毫米），并在喷雾顶部（厘米＝1毫米）共中心开口，形成环形间隙。新时代的泵系统公司NE-1000注射器泵注入液体燃料流速为1毫升/分钟内的环形间隙，而氧氮混合物形成分散和燃烧气体。由喷嘴产生的大气喷雾火焰由同心定位的预混合甲烷-空气火焰点燃，其当量比在0.8和1.5之间^[17]。

采用尼康D80反射式数码相机采集火焰颜色图像，采用18～135 mm变焦镜头和10.2百万像素CCD传感器，采集200像素毫米分辨率，并以8位JPG格式保存在RGB中。

通过与Tracor-Northern TN-1710增强光谱仪耦合的石英光纤收集光来检测火焰的自发光发射^[18]。

3.数据处理与结果

3.1燃烧数据

乳化喷气燃料在长时间暴露于超声强化混合后，呈现乳白色且稳定。Turbiscan装置的红外稳定性分析是不可用的，这样的测定将提供一个完整的稳定性图，具有分散相和连续相的液滴尺寸分布，以及乳液的聚结、起泡或起泡的倾向。在变化中，视觉检查是容易获得的，并且许多乳化喷气燃料的样品倾向于通过沉淀/分层而不稳定；仅仅通过摇动它们，混合物返回均匀，并准备进行显微镜检查。

低水比5% 跨度80 低水比10% 跨度80

低水比15 跨度80 低水比20 跨度80

图1不同含水率乳化喷气燃料的显微图像

图1示出了乳化喷气燃料的微观图像，在具有不同水百分比的样品之间的外观和分散相分布上有重要差异。一般来说，水滴是由一个暗环包围的清晰圆盘-表面活性剂。对于低水百分比（5和10%），分散相（水滴）在连续相中（喷气燃料）均匀地扩散，允许良好的燃料雾化和燃烧。15%水乳化射流燃料具有聚结趋势，粒径不同，但雾化和燃烧仍令人满意。20%水乳化喷气燃料在分散的相中呈现出非常明显的分离，在不同尺寸的清晰、圆形的液滴中，均匀地分散在连续相中。

使用分散燃烧总流量为3 L/min，以及N2和O2百分比的不同组合进行燃烧实验。

图2A中示出了在燃烧3升/分钟氧气时获得的淡蓝色和稳定的纯喷气燃料火焰，其具有较少的发光和微弱轮廓的锥形维持火焰，随着氧流量在2升/分钟的降低，同时增加氮流量，类似的FLA。保持我。在1升/分钟O2燃烧恶化，火焰变得细长和闪烁在其整个身体具有较低的发光强度。

乳化喷气燃料火焰倾向于变红，但其形状和尺寸不变，如图2B和C所示（通过喷雾的氧气流量为3升/分钟）。即使在相同的放大倍数和曝光时间下拍摄所有图片，火焰的颜色也有变化，但在火焰方面，即使是20%的水也不发生重大变化。

A)喷漆燃料 B) 10%水射流燃料 C) 20%水射流燃料

图2喷气燃料与水乳化射流的对比火焰照相

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