基于Matlab图像处理的瓦斯爆炸火焰传播速度研究

基于自制小尺寸试验平台进行不同体积分数瓦斯爆炸试验,运用高速摄像机拍摄爆炸图像,直观分析火焰传播过程。利用Matlab软件对拍摄图像进行数字化处理,求得不同瓦斯体积分数下的爆炸火焰传播速度。结果表明:基于图像处理的方法能够简单准确地计算火焰传播速度,火焰亮度阈值的取值对火焰传播速度计算结果有重要影响;火焰传播速度随时间逐渐增大,当出现"郁金香"火焰后略有降低,随后继续增大;瓦斯体积分数对平均火焰传播速度有较大影响,混合当量比为1时火焰传播速度最大,在混合当量比小于1时,火焰传播速度受混合当量比影响较大,而当混合当量比大于1时,火焰传播速度受混合当量比影响较小。     

甲烷/空气预混气体泄爆过程的动力学研究

以甲烷/空气为研究对象,建立小尺寸管道气体爆炸实验平台,利用高速纹影技术,探测了泄爆过程中预混气体火焰在管道内的传播特性,并得出流场压力、火焰传播速度变化曲线;同时建立k-ε模型,对管道内甲烷/空气预混气体泄爆过程进行模拟,得到数值模拟情况下的流场压力和火焰传播速度变化曲线.模拟图像和实验图像变化趋势大体一致.     

基于彩色火焰图像测量柴油机燃烧火焰温度

根据彩色三基色测量火焰温度的数学模型,以乙炔火焰为标定物,利用最小二乘法拟合温度和图像灰度值的函数曲线,运用该拟合曲线测量柴油机的燃烧火焰温度.测量结果符合柴油机燃烧规律,实验证明该方法有效可行,具有非接触式测量和可视化的优点,为柴油机的检测和改进提供了参考依据.     

障碍物对油气-空气混合气体泄压爆炸火焰传播特性影响

为了研究障碍物对油气泄压爆炸火焰传播特性的影响规律,进行了不同数量障碍物工况下的对比实验,并利用纹影仪和高速摄影仪记录了火焰传播过程,针对障碍物对火焰形态、火焰锋面位置及火焰传播速度的影响规律进行了研究,结果表明:圆柱体障碍物会导致油气泄压爆炸火焰形态产生褶皱和弯曲变形,诱导层流火焰向湍流火焰转变,加速火焰的传播,对油气泄压爆炸火焰的初始传播形态有显著影响;随着障碍物数量的增多,火焰锋面传播距离点火端的最大距离增大,但到达最远距离的时间减少;障碍物能够增强火焰的传播速度,尤其对障碍物下游火焰影响最为显著,随着障碍物数量的增多,火焰传播的最大速度也随之增大,但达到最大火焰传播速度的时间却随之减少;障碍物的存在增大了油气泄压爆炸过程外部爆炸压力,并且随着障碍物数量的增多,外部爆炸压力峰值增长幅度增大。     

基于图像的火焰锋面法向速度场测量研究

火焰锋面是火焰的重要组成部分,反映了火焰的燃烧特性。针对传统方法测量火焰锋面速度场分辨率较低的问题,提出来了基于图像法测量火焰锋面法向速度场的方法。使用高速相机拍摄了多帧连续图像,提取火焰锋面,通过最小二乘法拟合锋面的切线,从而计算出每个点的法向速度,并进一步分析了火焰振荡的性质。实验表明该方法能够有效测量双瓦楞纸板产生的火焰在不同时刻的速度场,具有高分辨率、全场测量的特点,为其进一步推广提供了实验基础。     

火焰温度场红外热像动态测试的试验研究

红外热像仪可以测量被测目标的温度场分布,并以图像的形式表示,可以利用计算机图像处理的方法进行燃烧火焰温度的重建.另外,红外热像仪采用非接触式测量且反应速度快,可进行火焰动态测量.本文采用红外热像仪对火焰温度场进行测试,并分析了测量过程中产生误差的因素及一些修正方法.     

火焰温度场红外热像动态测试的试验人

红外热像仪可以测量被测目标的温度场分布,并以图像的形式表示,可以利用计算机图像处理的方法进行燃烧火焰温度的重建。另外,红外热像仪采用非接触式测量且反应速度快,可进行火焰动态测量。本文采用红外热像仪对火焰温度场进行测试,并分析了测量过程中产生误差的因素及一些修正方法。     

障碍物对开敞空间贫燃天然气爆炸特性的影响研究

为揭示贫燃条件下障碍物对开敞空间天然气爆炸特性的影响,试验记录了火焰传播形态和爆炸压力,并对火焰结构和压力空间分布进行了数值分析.结果表明:在无障碍物工况下,火焰近似以球形向外膨胀传播,火焰表面较为连续,火焰传播速度较慢,爆炸压力较低;而在障碍物的湍流扰动下,火焰表面出现较大的"褶皱"结构,火焰燃烧表面积显著增大,火焰传播速度升高,爆炸压力也相应增大.相比于由障碍物引起的火焰加速作用,因流体动力学不稳定性产生的失稳效应可忽略不计.由温度分布可清晰观察火焰表面"褶皱"结构的形成过程,计算所得的爆炸压力达到峰值时间较早,且超压峰值相比试验值较低.     

液化石油气点火能试验及爆炸火焰传播分析

为研究液化石油气体积分数与点火能的关系以及爆炸火焰的传播过程,在实验室应用特制的爆炸试验装置,采用调节点火能和液化石油气体积分数的方法,进行一系列爆炸试验,并使用高速摄像机记录爆炸的动态过程。试验结果表明,当液化石油气的试验爆炸体积分数在5%～9%时,其体积分数与点火能之间呈现比较平缓的变化关系,而当其体积分数小于5%或大于9%时,体积分数的稍微变化,其点火能将发生显著的变化。爆炸过程图像分析显示,在爆炸初期,火焰阵面的微分加速起主导作用。随着火焰从点火源位置向四周扩散,光滑的层流火焰开始逐步"湍流化",火焰阵面出现皱折,燃烧面积增加,火焰传播速度逐渐上升直至最大值。在整个过程中,火焰阵面出现非稳定的加速。     

航空煤油池火脉动频率试验研究

为比较液体燃料池火与前人研究的气体燃料扩散火焰脉动频率的差异,对圆形航空煤油池火的脉动规律进行了试验研究。使用的油盘直径分别为0.1 m、0.15 m、0.2 m、0.3 m、0.4 m和0.5 m 6种。使用电子天平实时记录油盘内燃料质量的变化,作为对油池火是否进入准稳定状态的判断依据。之后应用自编的基于亮度阈值法的Matlab程序,首先对CCD摄像机所记录的准稳定状态下连续火焰图像序列中每一张图像的每一个像素点是否为火焰区域进行判断,完成火焰图像的二值化处理;再由火焰图像二值图计算瞬时火焰高度;最后对火焰高度随时间的变化结果进行快速傅立叶变换(FFT),获得火焰脉动的频域分布。在利用无量纲特征数Strouhal数St和Richardson数Ri分析火焰脉动频率与不同影响因素之间定量关系的基础上,应用试验数据,对油池火焰脉动频率预测方程进行了最佳拟合,得到了油池火脉动频率与油盘直径的经验关系式。对相同尺度的池火而言,依据此关系式计算所得的火焰脉动频率略小于前人以气体为燃料进行研究所得到的结果,且二者之间的差异随油池尺度增加而逐渐缩小。结合火焰形状动态演化的周期性特征对此现象进行了定性分析。因为油盘中的液体燃料接收火焰辐射传热需要一定的时间,导致燃料蒸发延迟,而使火焰脉动频率略有下降。     

N2和CO2抑制煤燃烧火焰特性对比试验研究

为了研究N_2和CO_2气体灭火剂在抑制煤明火燃烧特性方面的不同,通过搭建受限空间煤明火燃烧试验,分别开展了11.97%、16.81%、20.76%的N_2和10.79%、14.89%、20.32%的CO_2作用下煤明火燃烧抑制试验。鉴于火焰表面积变化与热释放速率变化呈正相关,基于火焰图像分析法开展试验研究。试验过程中,首先,通过数码摄像仪记录不同体积分数惰性气体作用下煤燃烧火焰面积的变化,然后利用Matlab软件进行火焰图像特征提取和"对比度增强"预处理,消除图像记录过程中存在的噪声,以便于有效进行火焰目标识别;其次,基于"阈值法"原理,利用Image-Pro Plus软件对预处理过的火焰目标进行识别和计算,进而实时获得试验过程中火焰表面积;最后,使用小波变换理论对火焰表面积变化曲线进行消噪处理,以获得火焰表面积变化趋势及主要波动信息。结果表明,CO_2比N_2具有更好的熄灭煤明火燃烧的能力,CO_2作用下煤火火焰表面积呈现指数下降,而N_2作用下呈现直线下降,且CO_2的灭火时间比N_2缩短了25%以上。该试验结果明确了N_2和CO_2在熄灭煤明火特性上的不同,弥补了CO_2仅比N_2具有更好的抑爆特性的认识。     

基于三维图像分析的浮力扩散火焰几何与辐射特性研究

火焰几何特性和辐射特性是刻画火灾规模及其危害的重要参量。利用三维火焰重构技术,获取了丙烷浮力扩散火焰的火焰高度、表面积、体积和火焰面元视角系数的变化规律。结果表明,三维重构的火焰能够表征真实火焰形态的动态变化。平均火焰表面积和体积均可较好地拟合为热释放速率的幂函数,火焰表面积热释放速率随火焰热释放速率的增加趋于常数。平均火焰高度、表面积和体积与火焰外部平均辐射热流之间具有较好的幂函数关系,且拟合指数随着与火源距离的增大而减小。此外,将点源、圆柱辐射模型和火焰面元积分方法得到的辐射计算值与辐射测量值进行比较,发现火焰面元积分方法能够更好地预测火焰外围的瞬时和平均辐射热流分布。     

煤尘爆炸性鉴定中瞬间火焰长度检测技术的研究

确定煤尘爆炸性质需要检测其燃烧瞬间的火焰长度,现有的大管状煤尘爆炸性鉴定系统以肉眼观察作为主要检测手段,存在测量精度差、重复性误差大以及人为干扰因素多等问题,提出将数字图像处理技术引入到煤尘爆炸性鉴定系统的方法即通过采用数字图像处理技术,对煤尘火焰图像进行预处理及图像分割与边缘检测后,得到最大火焰长度特征参数,并推导出煤尘爆炸的判断依据。     

水蒸气对层流甲烷/空气扩散火焰中烟黑生成的影响

空气中水的存在会严重影响烷烃类扩散火焰中烟黑的生成,研究氧化剂流中水对烷烃类火焰的影响,对污染物控制及火灾扑救具有重要意义。模拟采用24步简化机理的有限速率化学反应模型、Moss-Brookes烟黑模型及Discrete Ordinates(DO)辐射模型,研究在空气中加入水对甲烷/空气层流伴流扩散火焰的影响,其中烟黑模型包括烟黑的成核、表面增长和氧化。结果表明,伴流空气中的水蒸气会降低火焰的温度、抑制烟黑的生成。这是因为:一方面,水蒸气降低了甲烷燃烧的温度,火焰温度的降低导致化学反应速率减慢,烟黑成核和表面生长速率随之降低,火焰中烟黑质量分数便减少;另一方面,由于水蒸气的加入使化学反应OH+H_2 H+H_2O(R(15))逆向反应加速,继而导致OH生成量增加。但由于氧气浓度降低使火焰体积增大,OH的浓度降低。从而导致烟黑的氧化速率降低,烟黑生成量增加。由于水蒸气的化学效应小于其温度效应,总体上烟黑质量分数降低。最后对比了模拟结果和试验结果。     

Behavior of flames propagating through lycopodium dust clouds in a vertical duct

The structure of flame propagating through lycopodium dust clouds has been investigated experimentally. Upward propagating laminar flames in a vertical duct of 1800 mm height and 150×150 mm square cross-section are observed, and the leading flame front is also visualized using by a high-speed video camera. Although the dust concentration decreases slightly along the height of duct, the leading flame edge propagates upwards at a constant velocity. The maximum upward propagating velocity is 0.50 m/s at a dust concentration of 170 g/m³. Behind the upward propagating flame, some downward propagating flames are also observed. Despite the employment of nearly equal sized particles and its good dispersability and flowability, the reaction zone in lycopodium particles cloud shows the double flame structure in which isolated individual burning particles (0.5–1.0 mm in diameter) and the ball-shaped flames (2–4 mm in diameter; the combustion time of 4–6 ms) surrounding several particles are included. The ball-shaped flame appears as a faint flame in which several luminous spots are distributed, and then it turns into a luminous flame before disappearance. In order to distinguish these ball-shaped flames from others with some exceptions for merged flames, they are defined as independent flames in this study. The flame thickness in a lycopodium dust flame is observed to be 20 mm, about several orders of magnitude higher than that of a premixed gaseous flame. From the microscopic visualization, it was found that the flame front propagating through lycopodium particles is discontinuous and not smooth.     

Simple method for predicting pressure behavior during gas explosions in confined spaces considering flame instabilities

It is indispensable to predict the pressure behavior caused by gas explosions for the safety management against accidental gas explosions. In this study, a simple method for predicting the pressure behavior during gas deflagrations in confined spaces was examined. Previously the pressure behavior was calculated analytically assuming laminar flame propagation. However, the results of this method often provide underestimation compared with experimental data. It was known the underestimation intensifies as the scale of explosion spaces becomes larger. On the large scale gas deflagration, flame instability (especially hydrodynamic instability) might be more effective and wrinkles appeared on the flame front. Then, the flame surface area was increased and the propagating flame was gradually accelerated. The ordinary prediction methods led to the underestimation because the propagating flame was assumed to be laminar. In this study, we considered the effect of flame wrinkles caused by flame instabilities. By regarding the flame front as a fractal structure, the flame surface area could be modified. Because a flame surface starts to be wrinkled on a certain flame radius, proper determination of the critical flame radius provided accurate prediction of pressure behavior on a large scale deflagration. In addition, correction of the K_G value in a large vessel was discussed.     

燃油流量对防火试验火焰特征的影响

为了研究燃油流量对防火试验火焰特征的影响,为防火试验方案的设计提供参考和指导,采用Ansys Fluent软件对NexGen燃烧器进行三维定常数值模拟,分析了不同燃油流量条件下的火焰特征。结果表明:燃油流量对火焰最高温度和火焰形状几乎没有影响,但对火焰长度、监测面上温度分布、7个测量点的平均温度和热流密度有很大影响,通过分析各燃油流量条件下的火焰特征,发现当空气流量为35.8 g/s时,燃油流量在2.0~2.11 g/s——即余气系数为1.15~1.22时,能够用于防火试验。     

基于图像处理的湍流轴对称火焰体积与表面积计算方法

基于"圆柱体法"思想设计出轴对称火焰的火焰体积和表面积计算公式,以25cm×25cm正庚烷油池火为例,采用灰度阈值法提取其火焰区域,进而计算轴对称火焰的体积和表面积,并讨论灰度阈值对火焰区域提取、火焰体积与表面积计算的影响。结果表明:本文所述方法可以简便地计算湍流轴对称火焰的火焰体积和表面积;火焰体积与表面积随灰度阈值增大而减小且灰度阈值变化对火焰体积的影响幅度约为对火焰表面积影响幅度的两倍。     

管道内甲烷/空气预混火焰加速传播特性研究

搭建了基于可视化燃烧管道的预混火焰精细结构实验台,通过理论分析和实验等手段对预混火焰的瞬态传播过程及加速传播特性进行了研究,分析得出了不同甲烷含量的预混火焰加速传播规律及预混火焰由层流向湍流的转变规律.