祝 健, 歐瑤琳, 楊慎林

(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

研究表明,碳?xì)淙剂先紵龝?huì)對(duì)人類健康和環(huán)境構(gòu)成嚴(yán)重危害[1-2]。燃燒過程中排放的碳煙顆粒和CO2會(huì)吸收太陽(yáng)輻射,是導(dǎo)致全球變暖的重要因素。前人提出各種方法來(lái)減少它們的排放(如廢氣再循環(huán)),CO2和N2是廢氣的主要成分,通常被添加到氧化劑中以稀釋反應(yīng)物和降低反應(yīng)溫度。H2是一種備受關(guān)注的清潔能源,人們將其作為添加劑加入到天然氣或其他碳?xì)淙剂现衃3-5],但由于其制備、運(yùn)輸和存儲(chǔ)等方面的困難,尚未得到廣泛應(yīng)用。有研究表明,無(wú)論是添加到燃料側(cè)還是氧化劑側(cè),添加劑的加入都會(huì)通過稀釋、熱效應(yīng)和化學(xué)作用等多種作用對(duì)燃燒狀態(tài)產(chǎn)生影響[6]。

除添加劑外,基礎(chǔ)燃料結(jié)構(gòu)也是影響燃燒狀態(tài)的一個(gè)關(guān)鍵因素。相關(guān)研究表明,在添加相同物質(zhì)的情況下,不同的基礎(chǔ)燃料會(huì)表現(xiàn)出截然不同的燃燒狀態(tài)。例如,CO2的添加會(huì)降低乙烯火焰高度[3],而對(duì)甲烷火焰高度幾乎沒有影響[7]。丙烷是重要的碳?xì)淙剂现?但對(duì)丙烷擴(kuò)散火焰研究的文獻(xiàn)并不多見,因此以丙烷為基礎(chǔ)燃料進(jìn)行研究有助于豐富不同燃料的燃燒狀態(tài)數(shù)據(jù),進(jìn)一步完善燃燒機(jī)理。

火焰結(jié)構(gòu)和溫度是評(píng)估燃燒狀態(tài)的2個(gè)重要參數(shù)。文獻(xiàn)[8]研究火焰尺寸與熱釋放速率之間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)火焰高度、火焰面積均與熱釋放速率呈線性關(guān)系?；趫D像處理技術(shù)的火焰尺寸計(jì)算也成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[9]將火焰分解為多個(gè)子圓柱體,通過計(jì)算每個(gè)子圓柱體的(體積、面積等)參數(shù)來(lái)描述火焰形態(tài)變化。文獻(xiàn)[10]基于該思想進(jìn)一步提出了軸對(duì)稱火焰的表面積和體積計(jì)算公式,并通過基于固定閾值的圖像分割方法從火焰圖像中提取出完整火焰區(qū)域,實(shí)現(xiàn)火焰形態(tài)的高精度檢測(cè)。限于實(shí)驗(yàn)條件,丙烷氣體在燃燒過程中存在明顯的光暈干擾,導(dǎo)致圖像中火焰與背景之間的界限模糊,嚴(yán)重影響了火焰形態(tài)檢測(cè)的準(zhǔn)確率?；鹧鏈囟仁怯绊懱紵熒蛇^程反應(yīng)動(dòng)力學(xué)速率的重要因素,對(duì)碳煙生成過程的一些重要特征參數(shù)(如碳煙粒徑分布、體積分?jǐn)?shù)等)具有重大影響[11]。因此,評(píng)估不同比例的添加劑對(duì)燃料火焰溫度的影響對(duì)于研究碳煙生成機(jī)理等具有重要意義。

鑒于上述研究,本文將對(duì)CO2、H2、N2這3種氣體添加下的丙烷擴(kuò)散火焰結(jié)構(gòu)和溫度進(jìn)行準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)測(cè)量,以期為探究不同添加劑對(duì)不同性質(zhì)燃料燃燒狀態(tài)的影響提供更多實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),為發(fā)展和驗(yàn)證燃燒模型提供可靠的數(shù)據(jù)支撐,對(duì)推動(dòng)碳煙顆粒排放控制技術(shù)和提高能源利用效率具有參考意義。在MATLAB處理圖像過程中,本文提出一種動(dòng)態(tài)閾值法,可以準(zhǔn)確地識(shí)別火焰區(qū)域,而且操作簡(jiǎn)單。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

丙烷基擴(kuò)散火焰實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示,該系統(tǒng)主要由供氣系統(tǒng)、燃燒器、檢測(cè)系統(tǒng)3個(gè)部分組成。實(shí)驗(yàn)氣體經(jīng)減壓閥減壓后,由浮子流量計(jì)控制流量,通過混合器混合為不同體積分?jǐn)?shù)的氣體進(jìn)入燃燒器,形成穩(wěn)定的擴(kuò)散火焰。其中,燃燒器噴火嘴外徑為17 mm,內(nèi)徑為9.5 mm。在實(shí)驗(yàn)開始前,調(diào)整相機(jī)支架使相機(jī)和火焰底面在同一高度上,以便拍攝記錄火焰形態(tài),用于后期圖像處理。測(cè)溫選用K型熱電偶,其測(cè)溫上限為1 300 ℃,滿足實(shí)驗(yàn)測(cè)溫要求。每隔5 mm測(cè)量距離噴火嘴5～35 mm處的火焰中心線溫度,每個(gè)位置的測(cè)量至少重復(fù)3次,并求平均值使實(shí)驗(yàn)中的操作誤差最小化。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

1.2 實(shí)驗(yàn)工況

在所有實(shí)驗(yàn)中,丙烷流量在12 ℃、101.3 kPa的環(huán)境下保持40 mL/min不變,CO2、H2、N2等添加氣體分別以體積分?jǐn)?shù)φ(即添加劑流量與丙烷流量之比)的形式單獨(dú)加入到燃料中,共16個(gè)不同實(shí)驗(yàn)工況,見表1所列。每種工況重復(fù)3次實(shí)驗(yàn),3次實(shí)驗(yàn)得到的火焰形態(tài)相差都很小,該實(shí)驗(yàn)重復(fù)性強(qiáng),實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確可信。

表1 實(shí)驗(yàn)工況

1.3 圖像處理方法

文獻(xiàn)[10]基于Orloff的“圓柱體法”思想[9],修改完善了對(duì)于軸對(duì)稱或近似軸對(duì)稱火焰的火焰表面積計(jì)算方法。本文在此基礎(chǔ)上,利用MATLAB軟件對(duì)火焰圖像進(jìn)行處理和定量分析。

準(zhǔn)確提取火焰區(qū)域是計(jì)算分析的基礎(chǔ),最普遍的方法是灰度閾值法。在進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn),采集到的火焰圖像中火焰周圍光暈明顯,其像素灰度值甚至大于火焰藍(lán)色區(qū)域的灰度值,設(shè)置固定閾值難以高精度地提取火焰區(qū)域。因此,去除火焰周圍光暈將成為圖像處理的關(guān)鍵。

本文基于丙烷火焰邊緣的灰度分布特性,設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)閾值法,使火焰和背景有效分割。火焰光暈處理前后的對(duì)比效果如圖2所示。

圖2 火焰光暈處理效果對(duì)比

在程序編寫中,經(jīng)過對(duì)整張圖像灰度值分布情況的了解,將像素點(diǎn)的藍(lán)色通道值分為[0,40]、[40,210]、[210,255]3個(gè)區(qū)間,并對(duì)3個(gè)區(qū)間內(nèi)的藍(lán)色通道值賦予新的值，即70、130、255,分別對(duì)應(yīng)火焰藍(lán)色區(qū)域、橘黃色陰影區(qū)域和明黃色區(qū)域。從圖2a可以看出,由于光暈的存在和周圍環(huán)境的影響,火焰區(qū)域誤差極大。為此,本文在提取火焰區(qū)域時(shí),設(shè)置閾值如下:

(1) 圖像頂部處理。將每一行藍(lán)色通道值的最大值表示為bmax,當(dāng)bmax<8時(shí),該行矩陣向量值為0。

(2) 火焰周圍處理。根據(jù)圖像灰度值分布情況,變閾值公式如下:

(1)

其中:T(a,b)為對(duì)應(yīng)圖像像素點(diǎn)(a,b)的新向量值;I(a,b)為圖像像素點(diǎn)(a,b)的藍(lán)色通道值。由于火焰藍(lán)色區(qū)域內(nèi)部有部分像素點(diǎn)藍(lán)色通道值小于0.5bmax,在(1)式中被設(shè)置為0,因此將值為1的輪廓之間的0強(qiáng)制設(shè)置為1,得到新的只有1和0的矩陣再與原像素矩陣相乘,即可得到圖2b所示的效果圖。

在后續(xù)編程建模中,將每一行像素點(diǎn)看作是一層,只需要統(tǒng)計(jì)藍(lán)色通道值為70的像素點(diǎn)個(gè)數(shù),則可以求得火焰藍(lán)色區(qū)域截面積,再統(tǒng)計(jì)所有藍(lán)色通道值為70、130、255的像素點(diǎn)個(gè)數(shù),就可以求得火焰總截面積。此時(shí)得到的數(shù)據(jù)并不是實(shí)際火焰尺寸,需要乘以相應(yīng)的比例尺將像素尺寸進(jìn)行換算,即

S=S′α2

(2)

其中:S′為按像素計(jì)算的火焰面積;S為實(shí)際火焰面積;α為比例尺,表示每個(gè)像素長(zhǎng)度代表的實(shí)際物體長(zhǎng)度。本文中,α為燃燒器噴火嘴實(shí)際尺寸與像素尺寸的比值。

2 結(jié)果與討論

2.1 火焰結(jié)構(gòu)

不同工況下得到的丙烷基擴(kuò)散火焰原始圖像如圖3所示。

圖3 不同工況下的丙烷基擴(kuò)散火焰原始圖像

基本上,火焰由黃色火焰和藍(lán)色火焰組成。黃色部分非常明亮,是碳煙的主要分布區(qū)域;藍(lán)色部分亮度較低,對(duì)應(yīng)無(wú)煙區(qū)域。由圖3可知,3種氣體的添加對(duì)丙烷火焰結(jié)構(gòu)造成不同的影響。本文根據(jù)上述的計(jì)算方法和處理后的圖像,計(jì)算不同工況下的火焰高度、面積等。

2.1.1 火焰高度

根據(jù)弗洛德數(shù)Fr可以將射流擴(kuò)散火焰劃分為浮力驅(qū)動(dòng)和動(dòng)量驅(qū)動(dòng),區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)見表2所列。

表2 根據(jù)Fr劃分射流擴(kuò)散火焰類型

弗洛德數(shù)的計(jì)算公式為:

(3)

其中:u為射流速度;g為重力加速度;d為噴口的特征尺寸。

通過計(jì)算,可以判斷本實(shí)驗(yàn)火焰為浮力驅(qū)動(dòng)的層流射流擴(kuò)散火焰。根據(jù)文獻(xiàn)[12]推導(dǎo)出此時(shí)的火焰高度H為:

(4)

其中:Qf為燃料體積流量;D為燃料擴(kuò)散系數(shù);Yf為燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù)。因此,火焰高度與燃料體積流量成正比,與燃料擴(kuò)散系數(shù)和質(zhì)量分?jǐn)?shù)成反比。

工況1～工況16的火焰高度情況如圖4所示。

圖4 不同工況下的火焰高度

由圖4可知，添加N2后,火焰高度保持相對(duì)穩(wěn)定，CO2的加入則使火焰高度有0.57～1.13 mm范圍的下降,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)[13]結(jié)果一致,與(4)式矛盾,這可能是溫度分布造成的。隨著H2增加,火焰高度明顯上升,當(dāng)Q(H2)為33.33 mL/min時(shí),火焰高度達(dá)到了57.23 mm。這是由于H2是可燃物質(zhì),H2添加增大了燃料體積流量,且氣流速度加快,與空氣的混合速度減慢,火焰被拉長(zhǎng)。

2.1.2 火焰面積

利用1.3節(jié)所述的方法,對(duì)提取的火焰區(qū)域進(jìn)行藍(lán)色區(qū)域截面積S1、火焰總截面積S2和火焰表面積S3計(jì)算(S3=πS2,S3和S2具有相同表征意義,因此只放表面積圖),并計(jì)算S1與S2之比,計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

從圖5a可以看出,藍(lán)色區(qū)域截面積均隨著添加劑的增多而增大,并且在添加劑流量相同時(shí),面積增量關(guān)系為ΔS1(CO2)=1.5ΔS1(H2)=3ΔS1(N2)。

由圖5b可知,由于CO2和N2添加對(duì)火焰形態(tài)造成的影響甚微,火焰表面積保持相對(duì)穩(wěn)定;而H2添加使火焰明顯變高,火焰表面積也明顯增大。因此,從圖5c可以看出,添加H2和N2后,藍(lán)色區(qū)域截面積與總截面積之比只有少量增大,而CO2添加則使占比顯著增大。

圖5 不同工況下的火焰面積

藍(lán)色火焰區(qū)域是碳煙顆粒前驅(qū)體的形成區(qū)域,主要產(chǎn)物是多環(huán)芳烴(PAH),沒有碳煙生成。在一定程度上,可以認(rèn)為火焰藍(lán)色區(qū)域占總火焰區(qū)域的比例是初步判斷火焰燃燒充分性的重要表征。N2化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,在實(shí)驗(yàn)中常被設(shè)為對(duì)照組,CO2、H2與N2相比,在化學(xué)途徑上影響了碳煙生成。CO2添加促進(jìn)了反應(yīng)CO2+·H=CO+·OH的正向進(jìn)行,造成·OH自由基含量升高,增強(qiáng)了碳煙前驅(qū)體的氧化作用,同時(shí)·H自由基含量降低,抑制了碳煙顆粒表面生長(zhǎng)過程[14]。根據(jù)脫氫加乙炔機(jī)理,H2添加促進(jìn)了反應(yīng)Ai+·HAi·+H2的逆反應(yīng),使芳香族自由基(Ai·)在與乙炔結(jié)合之前就失去活性,從而抑制了PAHs生長(zhǎng)[15]。另外,H2高擴(kuò)散性減少了碳煙區(qū)域的前驅(qū)體聚集[6],致使碳煙產(chǎn)量下降。碳煙是導(dǎo)致火焰發(fā)光的重要因素,碳煙顆粒越少,火焰越暗。

結(jié)合圖3可以發(fā)現(xiàn),CO2添加對(duì)火焰亮度的減弱作用強(qiáng)于H2和N2,3種氣體對(duì)碳煙的抑制效果與圖5的結(jié)果基本一致,CO2比H2和N2更有效地抑制了丙烷燃燒過程中的碳煙生成?；鹧娉叽?高度和面積)與熱釋放速率有良好的相關(guān)性[8],可以作為一個(gè)更容易測(cè)量的指標(biāo),以代表熱釋放速率。從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,H2添加大幅提高了熱釋放速率。

2.2 火焰溫度

為了評(píng)估不同體積分?jǐn)?shù)的CO2、H2、N2添加對(duì)溫度的影響,對(duì)沿火焰中心線的溫度進(jìn)行測(cè)量,結(jié)果如圖6所示。從圖6a可以看出,火焰中心線溫度首先急劇上升,然后隨著火焰上部碳煙濃度增加,輻射熱損失增加,溫度上升緩慢,變化趨勢(shì)與文獻(xiàn)[13]中的測(cè)量結(jié)果一致。隨著CO2體積分?jǐn)?shù)的增加,火焰下部溫度明顯降低,隨著高度增加,溫度降低幅度減少。當(dāng)Q(CO2)從0增加到6.67 mL/min時(shí),火焰中心線z=5 mm處的溫度從622.3 K下降到514.5 K,z=20 mm處的溫度從794.4 K下降到765.0 K,z=35 mm處的溫度從845.8 K僅下降到832.5 K。文獻(xiàn)[7]在恒壓甲烷中也發(fā)現(xiàn)了類似趨勢(shì),甲烷火焰中心線溫度隨著CO2的加入而降低,而火焰高度保持不變?；鹧鏈囟认陆凳怯捎贑O2為不可燃?xì)怏w,對(duì)可燃?xì)怏w有絕對(duì)稀釋作用。此外,由于下部火焰藍(lán)色區(qū)域向上擴(kuò)大,相同位置上的黃色火焰會(huì)過渡為藍(lán)色火焰,而火焰上部是碳煙主要分布區(qū)域,CO2的添加降低了碳煙生成率,減少了碳煙輻射熱損失,且碳煙生成是吸熱過程,吸收的熱量也會(huì)隨著碳煙生成率的降低而減少,因此火焰下部的降溫幅度比上部更大。

圖6 不同工況下的火焰中心線溫度分布

從圖6b可以看出,H2添加后的溫度行為比CO2更為復(fù)雜，火焰中心線溫度變化趨勢(shì)與CO2添加相同。隨著H2的增加,在z=5 mm處中心線溫度持續(xù)下降,而在z=10～35 mm處,當(dāng)Q(H2)從6.67 mL/min增加到33.33 mL/min時(shí),溫度反而上升,漸漸靠近Q(H2)=0時(shí),且在z=35 mm處甚至超過無(wú)添加H2。溫度下降是由于氫氣火焰的絕熱溫度低于丙烷火焰的絕熱溫度,H2添加稀釋了丙烷。同時(shí),H2添加使火焰高度和火焰表面積顯著增大,熱釋放速率也隨之增大。另外,H2添加使火焰?zhèn)鞑ニ俣仍黾?更多的熱量被轉(zhuǎn)移到燃燒器表面,這也會(huì)造成火焰溫度的降低。但是H2燃燒本身也釋放了一部分熱量,同時(shí)會(huì)抑制碳煙生成,減少熱損失量,因此火焰溫度的下降并不明顯。結(jié)合圖2可以看出,z=10 mm處正是火焰藍(lán)色區(qū)域和黃色區(qū)域的過渡處,因此在z=10～35 mm的火焰上部,隨著H2增多,碳煙產(chǎn)量下降引起的熱損失減少量超過了稀釋和火焰表面積增加等作用造成的熱損失增量,導(dǎo)致溫度略有升高。在丙烷中加入H2對(duì)火焰整體溫度分布的影響沒有相同比例的CO2顯著。

從圖6c可以看出,N2添加對(duì)火焰中心線溫度的影響趨勢(shì)與CO2相同,但效果較弱。當(dāng)Q(N2)從0增加到33.33 mL/min時(shí),z=5 mm處的溫度僅降低了46.3 K。

結(jié)合圖3可以發(fā)現(xiàn),隨著H2和N2的增加,火焰亮度即火焰發(fā)射強(qiáng)度無(wú)明顯變化,而CO2的添加則使火焰亮度明顯減弱,這說明CO2的添加降低了火焰的燃燒溫度,而H2和N2的加入對(duì)火焰溫度作用較小,與圖6的實(shí)際測(cè)溫情況相符。

3 結(jié) 論

(1) 根據(jù)圖像中火焰及光暈的像素灰度分布特性,設(shè)計(jì)了一種動(dòng)態(tài)閾值法。在圖像處理過程中,有效地過濾了光暈成分,實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)條件下火焰參數(shù)的準(zhǔn)確提取。

(2) CO2、H2、N2添加使火焰藍(lán)色區(qū)域擴(kuò)大,且ΔS1(CO2)=1.5ΔS1(H2)=3ΔS1(N2);火焰藍(lán)色區(qū)域截面積與總截面積之比在CO2作用下增大最為明顯。因此,CO2對(duì)抑制丙烷燃燒過程中碳煙生成的效果最好。

(3) 隨著CO2和N2的增加,丙烷火焰高度和表面積無(wú)明顯變化,而H2添加則使其明顯增加,大幅提高了熱釋放速率。

(4) CO2、H2、N2這3種氣體添加劑中,CO2對(duì)火焰的降溫作用最強(qiáng)。其中CO2與N2添加對(duì)火焰中心線溫度的影響趨勢(shì)相同,而H2更復(fù)雜。在距噴火嘴10～35 mm處,火焰溫度隨著H2的增多而升高,這是由于碳煙產(chǎn)量下降導(dǎo)致的熱損失減少量大于稀釋和火焰表面積等作用造成的熱損失增量。