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，隨著人們對環(huán)境保護(hù)問題的不斷重視，國際上針對船用發(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，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[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，對射流火焰的傳播特性有較大的影響.對此，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者已經(jīng)開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)過單通道噴射點(diǎn)火的燃燒過程，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)中對燃油反應(yīng)活性控制壓燃技術(shù)(RCCI)的射流流場和燃燒過程進(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)平臺或仿真分析，評價(jià)了預(yù)燃室對天然氣火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懀淠康亩荚谟谡业礁纳铺烊粴獍l(fā)動(dòng)機(jī)燃燒性能的技術(shù)途徑.然而，國內(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，但大多局限于對小缸徑(d<100 mm)發(fā)動(dòng)機(jī)的研究，幾乎沒有利用大缸徑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?過量空氣系數(shù)、初始壓力)對火焰演變規(guī)律及瞬時(shí)壓力場的影響；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6個(gè)噴孔噴入主燃室，迅速點(diǎn)燃主燃室內(nèi)火花塞周圍的混合氣體.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)過程中容彈內(nèi)部的瞬時(shí)壓力，其測量范圍為0～20 MPa，測量精度為±0.5%FS(FS為滿量程).
僅通過改變初始過量空氣系數(shù)(λ=0.8，1.0，1.2)或初始壓力(p=0.6，1.0，1.5 MPa)研究初始條件對甲烷/空氣預(yù)混合氣的火焰發(fā)展過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比度的方法有兩種：① 通過美國國立衛(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)提高圖像的對比度.對所有由高速攝影儀記錄的火焰圖像均進(jìn)行亮度和對比度的預(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，對比相同時(shí)間下的兩種圖像處理方法的結(jié)果，經(jīng)過 stretchlim 函數(shù)處理后的圖像整體和局部的色度及亮度等級的分布梯度較大，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，通過減少數(shù)據(jù)量使圖像變得簡單，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)果將圖像中的對應(yīng)像素分成兩類或多類，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，通過對直方圖進(jìn)行定量分析來確定閾值，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間方差法對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)過反復(fù)迭代后，其開關(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)一步去除火焰周圍孤立噪聲點(diǎn)及填充內(nèi)部孔隙.應(yīng)用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)對二值化圖像進(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，對后續(xù)的火焰關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算帶來誤差，因此選取圖像疊加的方式更為合理.
對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種常用的邊緣檢測算法，旨在找出能夠準(zhǔn)確檢測和識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；Log算子結(jié)合了Gaussian濾波和Laplacian邊緣檢測，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，其檢測步驟分為：① 利用Gaussian濾波器平滑圖像；② 計(jì)算梯度的幅值和方向；③ 對梯度幅值進(jìn)行非極大值抑制；④ 用雙閾值算法檢測和連接邊緣.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)的邊緣檢測結(jié)果區(qū)別較??；Log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)際灰度圖像的對比如圖6所示.由圖6可知，所編寫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)的不對稱性分析
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)展的不對稱性.為具體得出從預(yù)燃室通過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，過量空氣系數(shù)越小，即甲烷濃度越高，射流火焰發(fā)展的不對稱性越嚴(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，溫度壓力也相對較大.當(dāng)該混合氣體迅速噴射到主燃室中，隨之而來的點(diǎn)燃周圍未燃混合氣的能量差別較大.在相對濃燃條件下，預(yù)燃室中燃燒的不均衡性對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)烈的不對稱性，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 過量空氣系數(shù)對火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊?/h3>
為進(jìn)一步探究λ對甲烷射流火焰?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)受到初始壓力與過量空氣系數(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)鞑ニ俾氏嗖畈淮螅划?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，若營造稀燃條件可能會(huì)達(dá)到和相對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，較高的初始壓力及過量空氣系數(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，較高的初始壓力及過量空氣系數(shù)使得從通道噴射出的射流火焰中僅含有燃燒產(chǎn)物，其火焰前鋒面與周圍冷混合氣體迅速混合，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)壓力通過精度較高的壓力傳感器采集而得；火焰面積百分比經(jīng)過火焰圖像批量預(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.
過量空氣系數(shù)對甲烷/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.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 不同初始壓力下，μ隨時(shí)間的變化曲線Fig.11 Variations of μ under different initial pressures
3.3 初始壓力對火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊?/h3>
不同初始壓力下,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，同一過量空氣系數(shù)條件下，初始壓力越高，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)，不同初始壓力下的射流火焰?zhèn)鞑ニ俾氏嗖钶^大；當(dāng)λ=1.0，1.2，p=0.6，1.0 MPa時(shí)，初始壓力對射流火焰的傳播速度影響較小，2種初始壓力下的火焰面積百分比變化速率幾乎相同，略高于p=1.5 MPa下的變化速率.提高初始壓力在一定程度上抑制了射流火焰的向前發(fā)展，這可能是由于火焰流體力學(xué)的不穩(wěn)定性隨著初始壓力的增大而增強(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)量比及相對稀燃條件下，3種初始壓力情況下的火焰幾乎同時(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)象可歸因于初始壓力和當(dāng)量比對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊慬11].當(dāng)甲烷/空氣預(yù)混氣體較濃時(shí)，初始壓力對火焰?zhèn)鞑ニ俣扔绊懗潭容^大，初始壓力的降低可顯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)展的不對稱性，這種不對稱性在過量空氣系數(shù)較小時(shí)呈現(xiàn)出隨著時(shí)間的增加，不對稱性越嚴(yán)重的趨勢.
(2) 射流火焰的傳播速率同時(shí)受到初始壓力與過量空氣系數(shù)的影響.當(dāng)過量空氣系數(shù)較小(λ=0.8)時(shí)，對初始壓力的影響最為敏感，即初始壓力稍有增加，火焰?zhèn)鞑ニ俾恃杆俳档?
(3) 初始壓力或過量空氣系數(shù)的增加均會(huì)導(dǎo)致射流火焰?zhèn)鞑ニ俾实慕档?，并在一定程度上影響流?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，隨著人們對環(huán)境保護(hù)問題的不斷重視，國際上針對船用發(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，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[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，對射流火焰的傳播特性有較大的影響.對此，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者已經(jīng)開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)過單通道噴射點(diǎn)火的燃燒過程，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)中對燃油反應(yīng)活性控制壓燃技術(shù)(RCCI)的射流流場和燃燒過程進(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)平臺或仿真分析，評價(jià)了預(yù)燃室對天然氣火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懀淠康亩荚谟谡业礁纳铺烊粴獍l(fā)動(dòng)機(jī)燃燒性能的技術(shù)途徑.然而，國內(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，但大多局限于對小缸徑(d<100 mm)發(fā)動(dòng)機(jī)的研究，幾乎沒有利用大缸徑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?過量空氣系數(shù)、初始壓力)對火焰演變規(guī)律及瞬時(shí)壓力場的影響；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6個(gè)噴孔噴入主燃室，迅速點(diǎn)燃主燃室內(nèi)火花塞周圍的混合氣體.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)過程中容彈內(nèi)部的瞬時(shí)壓力，其測量范圍為0～20 MPa，測量精度為±0.5%FS(FS為滿量程).
僅通過改變初始過量空氣系數(shù)(λ=0.8，1.0，1.2)或初始壓力(p=0.6，1.0，1.5 MPa)研究初始條件對甲烷/空氣預(yù)混合氣的火焰發(fā)展過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比度的方法有兩種：① 通過美國國立衛(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)提高圖像的對比度.對所有由高速攝影儀記錄的火焰圖像均進(jìn)行亮度和對比度的預(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，對比相同時(shí)間下的兩種圖像處理方法的結(jié)果，經(jīng)過 stretchlim 函數(shù)處理后的圖像整體和局部的色度及亮度等級的分布梯度較大，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，通過減少數(shù)據(jù)量使圖像變得簡單，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)果將圖像中的對應(yīng)像素分成兩類或多類，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，通過對直方圖進(jìn)行定量分析來確定閾值，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間方差法對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)過反復(fù)迭代后，其開關(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)一步去除火焰周圍孤立噪聲點(diǎn)及填充內(nèi)部孔隙.應(yīng)用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)對二值化圖像進(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，對后續(xù)的火焰關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算帶來誤差，因此選取圖像疊加的方式更為合理.
對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種常用的邊緣檢測算法，旨在找出能夠準(zhǔn)確檢測和識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；Log算子結(jié)合了Gaussian濾波和Laplacian邊緣檢測，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，其檢測步驟分為：① 利用Gaussian濾波器平滑圖像；② 計(jì)算梯度的幅值和方向；③ 對梯度幅值進(jìn)行非極大值抑制；④ 用雙閾值算法檢測和連接邊緣.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)的邊緣檢測結(jié)果區(qū)別較??；Log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)際灰度圖像的對比如圖6所示.由圖6可知，所編寫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)的不對稱性分析
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)展的不對稱性.為具體得出從預(yù)燃室通過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，過量空氣系數(shù)越小，即甲烷濃度越高，射流火焰發(fā)展的不對稱性越嚴(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，溫度壓力也相對較大.當(dāng)該混合氣體迅速噴射到主燃室中，隨之而來的點(diǎn)燃周圍未燃混合氣的能量差別較大.在相對濃燃條件下，預(yù)燃室中燃燒的不均衡性對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)烈的不對稱性，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 過量空氣系數(shù)對火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊?/h3>
為進(jìn)一步探究λ對甲烷射流火焰?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)受到初始壓力與過量空氣系數(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)鞑ニ俾氏嗖畈淮螅划?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，若營造稀燃條件可能會(huì)達(dá)到和相對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，較高的初始壓力及過量空氣系數(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，較高的初始壓力及過量空氣系數(shù)使得從通道噴射出的射流火焰中僅含有燃燒產(chǎn)物，其火焰前鋒面與周圍冷混合氣體迅速混合，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)壓力通過精度較高的壓力傳感器采集而得；火焰面積百分比經(jīng)過火焰圖像批量預(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.
過量空氣系數(shù)對甲烷/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.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 不同初始壓力下，μ隨時(shí)間的變化曲線Fig.11 Variations of μ under different initial pressures
3.3 初始壓力對火焰?zhèn)鞑ヌ匦缘挠绊?/h3>
不同初始壓力下,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，同一過量空氣系數(shù)條件下，初始壓力越高，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)，不同初始壓力下的射流火焰?zhèn)鞑ニ俾氏嗖钶^大；當(dāng)λ=1.0，1.2，p=0.6，1.0 MPa時(shí)，初始壓力對射流火焰的傳播速度影響較小，2種初始壓力下的火焰面積百分比變化速率幾乎相同，略高于p=1.5 MPa下的變化速率.提高初始壓力在一定程度上抑制了射流火焰的向前發(fā)展，這可能是由于火焰流體力學(xué)的不穩(wěn)定性隨著初始壓力的增大而增強(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)量比及相對稀燃條件下，3種初始壓力情況下的火焰幾乎同時(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)象可歸因于初始壓力和當(dāng)量比對火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊慬11].當(dāng)甲烷/空氣預(yù)混氣體較濃時(shí)，初始壓力對火焰?zhèn)鞑ニ俣扔绊懗潭容^大，初始壓力的降低可顯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)展的不對稱性，這種不對稱性在過量空氣系數(shù)較小時(shí)呈現(xiàn)出隨著時(shí)間的增加，不對稱性越嚴(yán)重的趨勢.
(2) 射流火焰的傳播速率同時(shí)受到初始壓力與過量空氣系數(shù)的影響.當(dāng)過量空氣系數(shù)較小(λ=0.8)時(shí)，對初始壓力的影響最為敏感，即初始壓力稍有增加，火焰?zhèn)鞑ニ俾恃杆俳档?
(3) 初始壓力或過量空氣系數(shù)的增加均會(huì)導(dǎo)致射流火焰?zhèn)鞑ニ俾实慕档?，并在一定程度上影響流?jīng)預(yù)燃室噴孔后的火焰是否淬熄.
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