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

发布时间：2021-11-01 22:27

　　在带有预燃室的大缸径定容燃烧系统中进行甲烷/空气射流引燃主燃室内预混气体的实验研究.基于MATLAB软件平台编写火焰图像批处理算法,并通过该算法进行图像预处理进而获取特征参数;通过分析瞬时压力曲线以及高速摄影仪拍摄的火焰传播图像,研究甲烷/空气预混射流火焰的传播特性以及初始压力和过量空气系数等初始条件对射流火焰发展过程及火焰传播速度的影响.研究结果表明:位于预燃室中的火花塞偏置会造成主燃室内的引燃射流火焰的不均衡发展,且这种不均衡性在过量空气系数越小时愈发严重;射流火焰传播速率随初始压力和过量空气系数的增大而减小,并且当过量空气系数较小（λ=0.8）时,射流火焰对背压的变化较为敏感. 

【文章来源】：上海交通大学学报. 2020,54(05)北大核心EICSCD

【文章页数】：9 页

【部分图文】：

预燃室式射流火焰定容燃烧系统示意图

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.2.2 图像处理算法的对比分析

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.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.

【参考文献】：
期刊论文
[1]预燃室射流点火装置的设计与性能研究[J]. 王博远,齐运亮,王颖迪,王志,王建昕.  汽车工程. 2018(01)
[2]预燃室参数对大缸径天然气发动机燃烧过程影响的研究[J]. 李树生,白书战,邢小伟,贾迎军,李国祥.  内燃机工程. 2012(06)
[3]CNG发动机和汽油机燃烧的比较分析[J]. 姚勇.  车用发动机. 2005(05)

博士论文
[1]不同环境条件下扩散射流火焰形态特征与推举、吹熄行为研究[D]. 王强.中国科学技术大学 2015

硕士论文
[1]定容湍流燃烧实验系统的研制[D]. 周子航.北京交通大学 2016



本文编号：3470800