基于光学诊断与图像处理技术的乙醇汽油扩散火焰研究

发布时间：2020-05-12 17:07

【摘要】：人类在消耗能源的同时对自然环境造成了一定的影响。因此,如何协调好环境保护和能源消耗之间的关系以实现可持续发展就成为了当今世界发展的重要议题。石油资源的消耗在能源消耗中占主导地位,为了协调好石油资源日趋匮乏和国内巨大需求之间的矛盾,解决环境污染中最突出的大气污染问题,发展替代燃料以部分取代石油燃料以及降低机动车污染物的排放是一种切实可行的途径。乙醇汽油属于替代燃料中的一种,在汽油中添加适量的乙醇可以降低汽油燃料的消耗和燃烧污染物中的碳烟排放。为了研究扩散燃烧火焰中产生的碳烟体积分数分布规律,精确测定层流扩散火焰高度以及量化分析火焰结构。先运用激光诱导炽光法测量石蜡扩散火焰中的碳烟体积分数分布,再运用消光法测量含有乙醇体积分数为20%的乙醇汽油层流扩散火焰中的碳烟体积分数分布。比较两种碳烟光学诊断方法之后,确定消光法作为研究乙醇汽油层流扩散火焰的研究手段。本文选取了乙醇体积分数分别为0%、20%、80%和100%的乙醇汽油作为研究对象,选择层流扩散燃烧作为燃烧方式,在一套液体燃料雾化蒸发燃烧系统中进行实验,结合火焰图像重新定义了层流扩散火焰的结构。针对后期数据处理过于复杂的问题,本文采取三点Abel反演算法来计算层流扩散火焰中的碳烟体积分数。作者运用MATLAB对乙醇汽油的层流扩散火焰结构进行了量化分析,为避免可视火焰高度因自身周期性脉动和观测者的不同而造成的影响,通过编写相关算法对火焰高度进行了精确计算。在运用激光诱导炽光法研究扩散火焰中的碳烟体积分数的过程中,选择波长532 nm,能量30 mJ,能量密度0.2 J/cm~2的激光,拍摄的火焰图像最为清晰且碳烟发出的炽光信号对应的最佳延迟为158?s。在乙醇汽油层流扩散火焰中,乙醇体积分数越大,碳烟成形区域面积越小,蓝焰区域面积越大。过渡区域面积占火焰总面积的21%左右,且不随乙醇体积分数的增加而发生较大的变化。
【图文】：

激光诱导,实验系统,消光法

逐步发展为有很大潜力的光学诊断技术之一，在对燃烧火焰中碳烟的定性及定量分析方面应用十分广泛。一种典型的激光诱导炽光实验系统如图1.1所示。由于激光诱导炽光法的优势，在美国康涅狄格大学燃烧诊断实验室的协助下，搭建了一套激光诱导炽光测试系统，尝试性地探究了石蜡扩散火焰中部的碳烟体积分数分布的规律，得到了一些较有价值的结果。火焰图像和碳烟数据的处理是在MATLAB中进行的，为后续采用消光法和进一步探索MATLAB与实验相结合进行图像处理奠定了基础。1.3.2 消光法消光法（Light Extinction）也叫视线衰减法（line-of-sight attenuation），在光学诊断技术中属于非接触式光学测量[17-20]。其基本原理可以表述为:当光线穿过火焰时，燃烧产生的碳烟颗粒对光有吸收和散射的作用。在吸收和散射共同作用下，穿过火焰前后的光照强度会出现不同程度的衰减，那么前后光强的变化就反应了火焰中碳烟浓度的分布规律。利用这一点

消光,激光,消光法,乙醇汽油

基于光学诊断与图像处理技术的乙醇汽油扩散火焰研究6图1.2 一种典型的激光消光系统Fig.1.2 A typical laser light extinction system消光法也具有非介入性、不会对实验对象产生影响的特点，相较于其他测试方法，其原理和操作相对比较简单，，实验系统易于搭建，实验结果比较精确，成本相对较低，因此被广泛应用于测量颗粒物浓度等方面，图1.2为一种典型的激光消光实验系统。本文将采用二维平行光消光法，研究E20乙醇汽油层流扩散火焰燃烧碳烟的分布。综合分析激光诱导炽光法测得的石蜡扩散火焰实验数据和消光法测得的E20乙醇汽油层流扩散火焰中的碳烟体积分数实验数据。比较火焰图像的清晰度和数据的准确性，选择较合适的光学诊断手段。重点研究E10、E20、E80和E100乙醇汽油的层流扩散火焰碳烟体积分数，并运用MATLAB定量分析火焰结构，尝试编写精确测定火焰高度和计算不同火焰区域的核心代码。1.4 国内外研究发展现状本文选择激光诱导炽光法和消光法这两种光学诊断的方法
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TE626.2;TP391.41

【参考文献】