基于MATLAB图像处理的大缸径定容弹中甲烷/空气射流火焰传播特性

2020-06-06许晓晨具德浩吕兴才

上海交通大学学报 2020年5期

许晓晨，李翔,2，黄忠，具德浩，吕兴才，黄震

(1. 上海交通大学动力机械与工程教育部重点实验室，上海 200240；2. 中国船舶重工集团有限公司第七一一研究所，上海 201108)

近几年来，随着人们对环境保护问题的不断重视，国际上针对船用发动机排放控制所制定的相应法规也越来越严格，迫使传统的化石燃料发动机亟需突破现有的技术以达到更高标准的排放要求.天然气作为传统发动机的清洁替代燃料具有诸多优势，在满足一定的经济性和动力性基础上，天然气还能达到较低的氮氧化物(NOx)和二氧化碳(CO2)排放要求.但天然气发动机大多以火花点燃的燃烧方式为主，其单点着火后火焰传播速度缓慢，这是制约其广泛应用的主要原因之一.天然气的主要成分甲烷的最大层流火焰的传播速度为33.8 cm/s，仅为汽油-空气层流火焰传播速度的2/3[1].随着气缸直径的增加，这一问题愈加突出.此外，增大空燃比，实现稀薄燃烧是降低NOx排放、提高发动机效率的有效途径，但随着过量空气系数的增加，稀燃极限又受制于点火系统能否可靠地点燃甲烷/空气混合物.

采用预燃室式燃烧系统已经成为大缸径天然气发动机燃烧系统的主要发展趋势[2].选择带有预燃室的天然气射流引燃系统的目的在于提供相比于传统火花塞点火更高的点火能量，提高火焰的传播速度.预燃室的参数设计及初始条件作为关键因素，对射流火焰的传播特性有较大的影响.对此，国内外相关学者已经开展了大量的研究工作.Gholamisheeri等[3]在湍流射流引燃系统中分析了射流火焰经过单通道喷射点火的燃烧过程，比较模拟结果与快速压缩机中的高速射流火焰图像，研究通道尺寸和空燃比对射流火焰速度和燃烧性能的影响.Salahi等[4]在预燃室式单缸机中对燃油反应活性控制压燃技术(RCCI)的射流流场和燃烧过程进行了数值模拟.研究结果表明：使用预燃室可以扩展RCCI发动机的工作范围，即在进气温度降低50 K时也能保证稳定着火.李树生等[5]设计了小容积预燃室加浅盆形主燃室的燃烧系统，其研究结果表明：增大主燃室与预燃室间连接通道的夹角有利于加快燃烧室径向火焰的传播速度，且可以获得较好的抗爆性能及排放性能.王博远等[6]设计了用于射流点火的内置式半球型四孔预燃室，利用可视化快速压缩机(RCM)进行点火燃烧试验研究.研究表明：相比于传统火花点火，预燃室式射流点火的滞燃期和燃烧持续期有所缩短；在大负荷工况下，滞燃期和燃烧持续期均缩短了约55%，最高燃烧压力和最大累计放热量分别增大7%和10%.

上述研究已从多个角度基于实验平台或仿真分析，评价了预燃室对天然气火焰传播速度的影响，其目的都在于找到改善天然气发动机燃烧性能的技术途径.然而，国内外的研究大多集中于利用RCM或单缸机进行实际发动机工况的实验研究.这种实验方法虽然可以获得较高的温度和压力，但大多局限于对小缸径(d<100 mm)发动机的研究，几乎没有利用大缸径RCM或单缸机进行射流引燃的可视化实验.这是由于要将RCM的缸径设计为约300 mm的尺寸几乎是不可能的.因此，为了观察并分析大缸径天然气发动机射流火焰的演变过程，基于定容燃烧弹并辅助使用高速摄影仪成为了较为可行的实验方案.本文旨在研究火焰传播速度的影响因素(过量空气系数、初始压力)对火焰演变规律及瞬时压力场的影响；在预燃室式的大缸径定容弹中进行甲烷/空气射流引燃实验；分析瞬时压力变化曲线、火焰面积变化曲线及预处理后的火焰传播图像，为带有预燃室的大缸径天然气发动机缸内射流火焰的发展过程提供一定的实验基础和理论支持.

1 天然气射流引燃系统及实验方法

所用燃烧系统中，主燃室与预燃室之间通过均匀布置的6个喷孔相连接，其内径为2.9 mm，总面积为39.63 mm2.当点火信号触发火花塞跳火后，预燃室中的预混气体迅速被点燃，压力和温度急剧升高，以高速射流火焰的方式通过6个喷孔喷入主燃室，迅速点燃主燃室内火花塞周围的混合气体.射流的作用使主燃室内的湍流强度显著增加，进而提供多个空间分布的点火源.同时，射流火焰的燃烧产物中含有一定的活性自由基[7]，促进了主燃室中甲烷/空气预混气体的快速燃烧.

预燃室燃烧的系统模型如图1所示.预燃室的容积为15 cm3，安装于定容弹弹体的正上方；火花塞(冠军FB77WPCC)安置于顶部偏向左方位置；定容弹弹体的直径为300 mm，最大设计工作压力为6 MPa；两侧石英玻璃视窗用于观察和拍摄高速射流火焰；采用的高速摄影机为Photron FASTCAM-ultima APX，所摄图像为 1 024 像素×1 024 像素，后续会增加微通道板(MCP)图像增强器附件，可提供高帧率成像所需的超高输出亮度，增强分辨率及灵敏度，进而获得更为清晰的高质量图像.实验首先将甲烷气体通入容弹中，使其与空气充分混合均匀，并通过量程为0～2 MPa的数字压力表观察其预混压力，确保精确配气；使用压阻式压力传感器采集实验过程中容弹内部的瞬时压力，其测量范围为0～20 MPa，测量精度为±0.5%FS(FS为满量程).

仅通过改变初始过量空气系数(λ=0.8，1.0，1.2)或初始压力(p=0.6，1.0，1.5 MPa)研究初始条件对甲烷/空气预混合气的火焰发展过程及燃烧情况的影响，设所有实验的初始温度(T)均为300 K.值得注意的是主燃室和预燃室中的λ始终保持一致.具体的实验方案如表1所示.

1—点火线圈, 2—石英玻璃视窗, 3—火花塞, 4—预燃室, 5—连接通道图1 预燃室式射流火焰定容燃烧系统示意图Fig.1 Diagram of constant volume combustion system of pre-chamber jet flame

实验工况p/MPaT/Kλ10.63000.820.63001.030.63001.241.03000.851.03001.061.03001.271.53000.881.53001.091.53001.2

2 射流火焰图像处理方法研究

基于不同工况下的每一组实验均需保存火焰从开始形成、发展到稳定状态的图片，约有120张.而每一工况条件至少做5组重复性实验以确保实验结果的可靠性，这样所记录的火焰图像数量巨大.利用MATLAB图像处理软件，选择合适的图像处理方法，批量处理射流火焰图像、提取特征参数以及生成计算结果的参数列表，为后续的量化分析提供必要的理论基础.

2.1 射流火焰图像处理流程

获取射流火焰的传播特征时，以火焰面积这一特征参数表征火焰的传播发展情况较为合理，如何高效率、高精度地提取研究所关注的特征信息是至为关键的一点.形态学是提取图像特征的有力工具，组合使用二值图像的腐蚀、膨胀、开闭运算、复原重构等基本操作，以达到准确地提取目标计算区域的目的.根据上述火焰图像的处理步骤，火焰图像的处理流程如图2所示.

图2 火焰图像处理流程Fig.2 Flame image processing procedure

2.2 图像处理算法的对比分析

受图像采集方法、实验环境、实验设备等影响，实际获取的射流火焰图像均会受到不同程度的干扰.因此，需要通过图像预处理方法提高图像质量以提取关键参数.

调节原始图像的亮度与对比度的方法有两种：① 通过美国国立卫生研究院网站(http:∥imagej.nih.gov/ij/)下载的图像处理软件ImageJ可以获得RGB图像的亮度值区间，而后运用MATLAB软件中的imadjust函数求得原图像的R、G、B分量并映射到所求图像中，获得新的亮度值；② 直接配合使用imadjust函数与stretchlim函数，自动提高图像的对比度.对所有由高速摄影仪记录的火焰图像均进行亮度和对比度的预处理.当初始条件为p=0.6 MPa，λ=0.8时，一组处理后的图像如图3所示.其中，t为射流火焰持续时间(取开始出现射流火焰的第1张图片作为时间零点).由图3可以知道，对比相同时间下的两种图像处理方法的结果，经过 stretchlim 函数处理后的图像整体和局部的色度及亮度等级的分布梯度较大，并且与实际火焰发展形态特征的一致性较高，便于后续图像的灰度化处理，故下文将选用此函数处理图像.

图像的二值化处理有利于进一步进行数据分析，通过减少数据量使图像变得简单，凸显感兴趣的目标.阈值化图像分割是一种最基本的图像分割方法.其基本原理是选取一个或多个处于灰度图像范围中的灰度阈值，而后将图像中各像素的灰度值与该阈值进行比较，并根据比较结果将图像中的对应像素分成两类或多类，从而把图像划分成互不重叠的区域集合，达成分割图像的目的[8].选取阈值是灰度图像二值化最重要的步骤，不同的阈值获取方法获得的二值化图像差别较大.所以，不同的阈值化图像分割方法在一定程度上决定了所编写的图像处理程序能否高精度、较准确地反应实际图像.常用的分割方法有：直方图双峰法、最大类间方差法、迭代法等.由于采用直方图双峰法需要依据图像的直方图，通过对直方图进行定量分析来确定阈值，不便于处理数量庞大的图像.此外，不是所有形态的火焰图像均能呈现出明显的两个波峰与一个波谷，导致该方法的交互性也较差，且需通过人工参与交互设定阈值，这样会导致图像精度较低，所以直接排除这种阈值分割方法，只采用迭代法和最大类间方差法对所有火焰图像批处理.值得一提的是，采用迭代法时，某些图像经过反复迭代后，其开关函数依旧在变化，故设定迭代上限为50次.采用迭代法(ItM)和最大类间方差法(Otsu)的图像处理结果如图3所示.由图3可知，Otsu可以更好地反映原始图像的火焰形态.

图3 火焰图像的对比度调节、灰度化、二值化Fig.3 Contrast adjustment, grayscale and binarization for flame images

甲烷的火焰内部存在明显的颜色差异，这主要是由于甲烷在燃烧过程中所产生的每一种中间产物都有特定的发射光谱[9].原始火焰图像的颜色差异性导致图像经过二值化处理后，射流火焰目标区域存在较强的噪声，而火焰内部出现空隙.这就需要进一步去除火焰周围孤立噪声点及填充内部孔隙.应用数学形态学对二值化图像进行反复膨胀、腐蚀以及边缘恢复等操作，获得的处理结果与由图像叠加法获得的处理结果对比如图4所示(p=0.6 MPa，λ=1.0，t=24 ms).由于火焰向前发展阶段，后一张火焰图像一定包含了前一张火焰图像的目标区域，所以基于这一点应用imadd函数进行图像的叠加操作.无论是膨胀、腐蚀还是图像叠加操作，其目的都在于将原本非连通的区域连通以进行孔隙填充，而去除孤立噪声点则是为了通过标记连通区域，选取连通区域面积阈值以去除火焰轮廓边缘噪声点的干扰.由图4可知，反复的膨胀、腐蚀会在一定程度上使得火焰边缘的特征失真，对后续的火焰关键参数计算带来误差，因此选取图像叠加的方式更为合理.

对火焰边缘轮廓的高精度提取有利于分析不同条件下射流火焰的发展形态.采用5种常用的边缘检测算法，旨在找出能够准确检测和识别火焰封面形状的方法.Sobel算子、Prewitt算子、Robert算子均为梯度算子，基于图像亮度一阶导数的不连续性进行边缘检测；Log算子结合了Gaussian滤波和Laplacian边缘检测，考虑了5像素×5像素的邻域处理，是一种改进型Laplacian算子；Canny算子是基于信噪比与定位之乘积的最优逼近算子进行检测，其检测步骤分为：① 利用Gaussian滤波器平滑图像；② 计算梯度的幅值和方向；③ 对梯度幅值进行非极大值抑制；④ 用双阈值算法检测和连接边缘.不同工况下，不同发展程度的火焰形态的差异性较大，所以选取几组具有代表性的火焰图像进行对比观察.采用上述5种图像边缘提取算子提取出的射流火焰边缘特征如图5所示.由图5可知，梯度算子(Sobel、Perwitt和Robert算子)的边缘检测结果区别较小；Log算子的抗噪性较差，生成了较多假边缘集；Canny算子的图像边缘最完整，且其光滑性、连续性较好.综上所述，选取Canny算子检测火焰轮廓.

p=0.6 MPa，λ=1.0，t=24 ms图4 二值化图像的去噪方法Fig.4 Noise removal methods for binary images

图5 5种图像边缘提取算子对比图Fig.5 Comparison of five edge detection algorithms

火焰图像处理结果与实际灰度图像的对比如图6所示.由图6可知，所编写的图像处理程序能够较好地追踪火焰边缘，且与实际图像的一致性较高.由于火焰计算面积是基于轮廓内部像素点个数占整幅图像像素数目的百分数，轮廓的准确性保证了其计算面积的精度，可以满足实验结果分析的要求.

图6 火焰边缘提取图像与原始灰度图像对比Fig.6 Comparison between the original gray flame image and extraction edge

3 实验结果的分析与讨论

3.1 射流火焰传播形态的不对称性分析

当λ=1.0，p=0.6 MPa时，甲烷/空气预混燃烧火焰的形态发展情况如图7所示.图7从宏观上反映了甲烷射流火焰发展的不对称性.为具体得出从预燃室通过6个喷孔的射流火焰发展的不均衡性，以半圆形喷嘴的中轴线为分割线，用高速摄影机拍摄左右两侧的射流火焰喷射面积.左右两侧的射流火焰面积的百分比μ定义为左右两侧像素点为1的数目占总像素个数的比例，计算结果如图8所示.其中，L为左边；R为右边.

由图8可知，随着时间的增加，左右两侧的射流火焰面积均迅速增加而后趋于稳定，而其同一时间的面积百分比的差异性也较为明显,这种差异性在不同的过量空气系数下有所不同.当λ=1.2时，左右两侧火焰面积百分比的最大差值为4%.而随着λ的降低，这一差值的最大值提升至12%.由此可见，过量空气系数越小，即甲烷浓度越高，射流火焰发展的不对称性越严重，进而导致主燃室内预混气体的燃烧越不均匀.产生这一现象的原因主要是由于位于预燃室顶部偏置左方的火花塞在引燃其中的混合气体后，以预燃室中轴线分隔开的左右两侧火焰发展不均衡.左侧的已燃混合气体浓度较高，温度压力也相对较大.当该混合气体迅速喷射到主燃室中，随之而来的点燃周围未燃混合气的能量差别较大.在相对浓燃条件下，预燃室中燃烧的不均衡性对主燃室中射流火焰的初始发展影响较大，呈现出较为强烈的不对称性，这一点在预燃室式天然气发动机的设计中应予以适当考虑.

p=0.6 MPa，λ=1.0图7 射流火焰发展的宏观描述Fig.7 Macroscopic description of jet flame development

图8 左右两侧射流火焰面积百分比随时间的变化曲线Fig.8 Temporal variations of jet flame area percentage on both left and right sides

3.2 过量空气系数对火焰传播特性的影响

为进一步探究λ对甲烷射流火焰传播速率的影响，需要分析火焰的面积变化及瞬时的压力变化，如图9所示.当p=0.6 MPa，λ=0.8时，从主燃室开始出现射流火焰到几乎充满整个燃烧室经历的时间t=25 ms.而当λ=1.0，1.2时，t=50，125 ms.这表明λ对射流火焰的发展速率影响显著，随着λ的增大，大体呈现出射流火焰面积百分比的变化速率减小，火焰传播速率减慢的情况.

但当λ=1.0，p=1.5 MPa时，出现了射流火焰传播速率反而大于同等初始压力条件下λ=0.8的情况.产生这一现象的原因可能是射流火焰的传播速率同时受到初始压力与过量空气系数的影响.当p=0.6 MPa时，可从3条曲线的斜率变化中看出火焰传播速率受λ的影响较大；当p=1.0 MPa，λ=0.8，1.0时，火焰传播速率相差不大；当p=1.5 MPa，λ=1.0时，甲烷空气混合气体的火焰发展速率反而大于较浓混合气体(λ=0.8)时的情况.这一结论表明在天然气发动机背压较高的初始条件下，提高混合气体中的甲烷浓度不一定会促进气缸内的火焰传播速率；相反地，若营造稀燃条件可能会达到和相对较浓混合气体同样的火焰传播速率.

随着λ的增大，瞬时压力的变化速率逐渐减小，即射流火焰的传播速率减慢.达到第1个压力峰值出现的时间随着λ的增加而增加，且瞬时压力的峰值随着λ的减小而略有增大，均达到p的2倍左右.在p越高、λ越大的情况下，瞬时压力曲线越容易出现双峰值的情况.较稀混合气体(λ=1.2)燃烧时，在3种p下均出现2个压力峰值；当p=1.5 MPa时，3种λ均出现双峰值，并且第2个压力峰值均高于第1个.Biswas等[10]在研究甲烷空气以及氢气空气预混燃烧的点火机制时提出，较高的初始压力及过量空气系数会使从预燃室流经通道的射流火焰容易淬熄，从而造成喷射进主燃室中的湍流射流火焰中仅含有燃烧产物而不含有OH等活性自由基.这对本研究的瞬时压力曲线出现双峰值提供了合理的解释，较高的初始压力及过量空气系数使得从通道喷射出的射流火焰中仅含有燃烧产物，其火焰前锋面与周围冷混合气体迅速混合，并为其提供着火能量及温度，高能量湍流射流火焰的喷入带来了主燃室的第1次压力峰值，随后主燃室中的冷预混气体达到着火条件后在多处迅速被点燃，这就解释了第2次压力峰值的出现及其值高于第1次的现象.

不同过量空气系数下，射流火焰面积百分比及瞬时压力随时间的变化曲线如图9所示，其中p′为瞬时压力.由图9可知，火焰面积百分比曲线与瞬时压力曲线呈现出较为一致的规律性.其中，瞬时压力通过精度较高的压力传感器采集而得；火焰面积百分比经过火焰图像批量预处理后量化分析而得.这也间接表明了所采用的图像处理算法精度较高，基本可以满足实验结果分析的要求.

过量空气系数对甲烷/空气射流火焰的边缘发展影响如图10所示.当λ=1.2时，射流火焰发展得十分缓慢，且亮度较低，高速摄影仪捕捉不到射流火焰，因此需通过降低拍摄频率、增加曝光时间提高拍摄火焰的清晰度，即拍摄两张火焰的间隔时间变长.由图10可知，在射流火焰发展初期(t<24 ms)，射流火焰的前锋面褶皱较多、边缘扭曲，随后火焰前锋面发展成较为平滑的形态.若将火花塞位置点到射流火焰前锋面定义为火焰的周向发展方向，将沿火花塞为中心轴线的向前发展定义为径向发展方向，则随着过量空气系数的增加，火焰的径向发展速度vr增大，周向发展速度vc减小，火焰整体呈现向前发展的特征.

图9 不同过量空气系数下，μ和p′的变化曲线Fig.9 Variations of μ and p′ at different air-fuel equivalence ratios

图10 不同过量空气系数下射流火焰的边缘发展特性(p=1.0 MPa)Fig.10 Characteristics of flame fronts at different air-fuel equivalence ratios (p=1.0 MPa)

图11 不同初始压力下，μ随时间的变化曲线Fig.11 Variations of μ under different initial pressures

3.3 初始压力对火焰传播特性的影响

不同初始压力下,射流火焰面积百分比随时间的变化曲线如图11所示.由图11可知，同一过量空气系数条件下，初始压力越高，火焰面积百分比的变化速率越小，射流火焰的发展速率越慢.当λ=0.8时，不同初始压力下的射流火焰传播速率相差较大；当λ=1.0，1.2，p=0.6，1.0 MPa时，初始压力对射流火焰的传播速度影响较小，2种初始压力下的火焰面积百分比变化速率几乎相同，略高于p=1.5 MPa下的变化速率.提高初始压力在一定程度上抑制了射流火焰的向前发展，这可能是由于火焰流体力学的不稳定性随着初始压力的增大而增强导致的.同时，已燃高温混合气体需克服高背压向外膨胀发展，阻碍了火焰的传播，若背压过大还可能会发生失火的情况.当λ=0.8，p=0.6,1.0,1.5 MPa时，从火焰发展至达到稳定时间的差异较大，分别为25，75，125 ms；当甲烷/空气处于化学当量比及相对稀燃条件下，3种初始压力情况下的火焰几乎同时达到稳定状态.当λ=1.0时，t=50 ms；λ=1.2时，t=125 ms.这一现象可归因于初始压力和当量比对火焰传播速度的影响[11].当甲烷/空气预混气体较浓时，初始压力对火焰传播速度影响程度较大，初始压力的降低可显著提高火焰的传播速度；随着甲烷气体浓度的降低，火焰传播速度不再由初始气体的压力主导，这也同时解释了当p=1.5 MPa时，化学当量比的甲烷/空气混合气的火焰发展速率反而大于较浓混合气体的现象.