低气压下火焰视频图像特征研究

为了进行非密封飞机机舱内视频火灾探测技术的研究,借助中国科学技术大学QR0-12步入式环境低气压试验舱开展低气压下(100kPa,90kPa,70kPa,50kPa和30kPa)火焰视频图像特征研究。在实验舱中用正庚烷作为可燃物进行点火实验,拍摄火焰视频,研究低气压环境下火焰的颜色、空间变化、运动、相对稳定性、边缘粗糙度、相邻帧火焰区域面积变化率、面积重叠率、相关性特征。实验结果表明,火焰的颜色、空间变化特征不会随气压变化而变化;而火焰动态特征等都会因气压的不同而发生变化。因此,火焰的颜色和空间变化特征在低气压环境中仍可用于火焰区域分割和识别,而其他动态特征会随着气压发生变化,不能用常压下的方法来训练分类模型,但仍可以用以区别火焰和静止的疑似区域。     

燃气加热炉火焰视频监控系统设计

为了持续监测燃气工业加热炉燃烧状况,保障锅炉运行安全,根据燃气火焰的特点,利用数字图像处理技术,设计了相应的燃气加热炉火焰视频监控系统。通过图像预处理、火焰特征提取、火焰特征分析三个步骤,可实现对炉膛火焰燃烧状态进行实时判定,包括火焰燃烧或熄灭、燃烧是否充分、是否稳定。仿真实验结果表明,该系统能准确地从监控视频中检测和识别火焰燃烧状态,并能将燃烧特征量和特征分析结果存储到数据库以供事后查询。     

基于静态特征和动态行为的火灾检测模型*

为实时准确地检测视频监控的火灾信号,减少火灾误报,提出1种基于静态特征和动态行为的火灾检测方法。利用改进的Faster RCNN检测模型,根据可疑火灾区域的颜色特征和空间特征对其进行目标检测和特征降维,与传统的Faster RCNN相比平均检测精度提升5%;利用ILSTM对连续帧中的特征进行累加,对短期内是否发生过火灾进行分类。连续的短期决策在1min内以多数票表决最后决策。结果表明:方法将火灾检测的准确率提升到97.92%,并成功解释火焰和烟雾的时间行为。     

一种基于质心距脉动特征的火焰轮廓识别算法

火灾视觉特征的提取是火灾图像探测的关键问题。提出了一种描述火灾火焰轮廓脉动信息的火焰图像质心距脉动模型，即先用质心距来描述火焰的轮廓信息，再利用傅立叶描述子描述火焰轮廓变化的时空信息，采用距离来度量相邻两帧图像轮廓的变化幅度。实验结果表明，对于火灾火焰视频图像而言，其相邻两帧之间的脉动幅度、变化频率要明显高于受控燃烧、光源干扰等非火灾情况，可有效应用于火灾火焰的识别。研究表明，该方法能有效地探测火灾的发生，降低系统的误报率。     

多火源火旋风相互作用的实验研究

为研究多火源条件下火旋风的相互作用,利用四面边墙夹缝式实验装置对3种不同直径油盘形成的火旋风进行实验研究。由电子天平记录的燃料质量随时间变化曲线,得到准稳态阶段火旋风的质量燃烧速率;利用摄像机记录的火焰连续图像,获得火焰高度;基于实验现象及实验数据对质量燃烧速率、火焰高度和火焰形态的分析,提出多火源火旋风质量燃烧速率和火焰高度的半经验线性关系式。研究表明:大直径油盘形成的火旋风比小直径油盘更容易受到拖拽力和涡量的作用影响。     

油盘直径和高度对火旋风特征影响的试验研究

为考察油盘直径和高度对航空煤油火旋风特征的影响,利用四面边墙夹缝式火旋风试验装置,对地面到0.8 m高度,直径0.1,0.15和0.2 m池火形成的火旋风进行试验研究。首先利用Rankine涡理论,分析质量燃烧速率和速度环量的定量关系,探讨火旋风的气动平衡机制;再由电子天平记录的燃料质量随时间变化曲线,得到准稳定阶段火旋风质量燃烧速率;利用摄像机记录的火焰连续图像,获得火焰时平均高度。理论分析表明,就给定半径的油盘而言,在假定涡核半径与油盘半径之比不变的情况下,质量燃烧速率与速度环量成线性关系。分析试验数据发现,无量纲质量燃烧速率及无量纲火焰高度随无量纲油盘高度的增加均呈现负指数递减趋势,并逐渐趋于相近的常值。     

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。     

四面火墙作用下中心油盘燃烧速率研究

为解决在实际溢油事故处理过程中，油膜、燃料、溢油范围及特征将限制就地燃烧法使用的问题，利用多油池火燃烧试验模拟就地燃烧法现场燃烧速率变化特征。首先，利用火旋风发生装置与多油池火模型建立四面火墙燃烧模型；然后，搭建火焰燃烧试验平台，利用现场试验法研究中心油盘高度、燃料体积(油膜厚度)及相邻火墙间距h对中心油盘燃料燃烧速率的影响，最后对所得数据进行拟合分析，探究燃烧速率变化特征。结果表明：相比于单一油池火燃烧，四面火墙条件下中心油池火火焰燃烧更为剧烈；平均燃烧速率与油盘高度呈负相关，与燃料体积呈正相关，相同条件下油盘高度每增加1倍，平均变化率约减小20%;燃料体积每减少一半，平均燃烧速率约减小25%;相邻火墙间距h=16 cm时对中心油盘燃烧速率的促进作用最强，最大可达32.4%。     

一种基于视频图像相关性的火灾火焰识别方法

由于火焰燃烧时气体羽流的卷吸特性和空气流动的影响,燃烧的火焰表现出不停的振荡特性,基于这种振荡性提出利用图像的相关性来探测火灾的发生.火灾视觉特征的提取是视觉火灾探测的重要问题,首先确定运动区域,再利用火焰振荡特性提出了相关性算法,并分析了R、G、B 3种分量对相关性的影响.实验结果表明利用相关性来分析时,火焰的相关性系数图是剧烈振荡的,而非火焰的相关性系数图是相对比较平坦的,为可视化火灾探测系统提供了一种有效的判据;R、G、B对相关性的影响是一致的,在实际应用中只需利用其中的1个分量即可,可有效提高火灾探测系统的响应时间.     

3m直径煤油池火灾火焰特性的数值研究

为了预测油池火灾的火焰特性,采用CFD模拟技术开展静风状态下3 m直径煤油液池的火灾场景模拟,探讨火焰温度、火焰羽流速度、辐射热通量、燃烧产物质量分数等油池火焰特性参数随高度的变化关系;并结合火焰形态分布,提出一种4区域模型,即将湍流扩散火焰划分为油气混合燃烧区、燃烧火焰区、烟尘区和热烟气区来分析燃烧气流在不同高度的实际物理化学特性。此外,通过经验公式和CFD模拟2种方法分别计算出3 m直径煤油池火灾的火焰高度、火焰表面的辐射通量及热辐射破坏半径,并对计算结果进行比较分析,结果表明:2种方法可互相补充完善,有助于池火灾的热辐射危害性评估。     

高原乙醇油池火燃烧特性实验研究*

为研究低压条件下油品燃烧特性,以乙醇油池火为研究对象,搭建高原油池火实验平台,研究不同油盘直径下乙醇油池火燃烧规律,分析燃烧速率、火焰高度和火焰脉动等参数随时间的变化规律。研究结果表明:低压条件下的乙醇油池火,燃烧速率小于同等尺度常压条件下的油池火燃烧速率;乙醇油池火的燃烧速率随油盘直径增加变化不明显;火焰高度随油池直径增加呈现显著上升趋势,并拟合推导出适用于低压乙醇池火的火焰高度公式;火焰脉动频率随油池直径增大而减小,并给出火焰脉动与油池直径的经验公式。研究结果可丰富低压乙醇燃烧的油池火实验数据,为低压乙醇油池火的风险评估提供参考。     

变压器油池火燃烧规律的实验研究*

为对变压器油池火灾进行准确有效的灭火，研究不同尺寸和不同厚度下变压器油的火灾动力学特征和基本燃烧特性，具体分析变压器油的燃烧过程和变压器油燃烧速率、火焰温度以及辐射热流随油池直径以及厚度的变化规律。结果表明:整个油品的燃烧过程分为预热燃烧阶段、稳定燃烧阶段和火焰熄灭阶段。对于厚度大于10 mm的油池燃烧，稳定阶段的燃烧速率与油层厚度无关，稳定阶段的燃烧速率随着油池直径的增加而增加。同时，变压器油火灾连续火焰区温度接近750 ℃。对于稳定燃烧阶段下的变压器油燃烧，基于辐射通量可得出在燃烧过程中，辐射热量占总燃烧热的占比约为1/3。研究结果可丰富变压器油燃烧的基础数据，为变压器火灾的灭火提供参考。     

变坡度条件下正丁醇定常流淌火非稳态燃烧行为研究*

为探究流淌火在变坡度地面的蔓延特性，丰富火灾研究理论，推进流淌火预防和风险评估的发展，采用1套自制矩形小尺度油槽系统，研究正丁醇变坡度、变泄漏速率情况下溢油定常流淌火的蔓延特性。结果表明:当泄漏速率相同时，坡度越大，正丁醇的加速过程越明显，当坡度从1°上升到4°，正丁醇扩散速率增大了40.8%；不同坡度下，正丁醇的平均火焰高度随泄漏速率的变化均呈现“上升-下降-稳定”趋势；流淌火蔓延过程中脉动方式分为2种:“跳跃-爬行”和“跳跃-爬行-回缩”；当泄漏速率较小时，流淌火蔓延过程中的脉动频率随油槽坡度的增大而增大，当泄漏速率较大时，脉动频率不再随油槽坡度的改变而发生明显趋势变化。     

装置进气口宽度对不同尺寸油盘火旋风燃烧特性影响的研究

为探究进气口宽度对火旋风燃烧特性的影响，利用自然驱动的四面边墙夹缝式装置对不同进气口宽度使用１５０，２００，２５０ mm 3种直径进行实验研究。由燃料质量随时间变化曲线得出准稳态阶段火旋风的质量燃烧速率；利用摄像机记录火焰的连续图像并获得火焰高度。结果表明:针对实验室小型火旋风（150~250 mm），在进气口宽度为35 mm左右时，火旋风的燃烧速率最大，即火旋风的燃烧强度存在1个最佳的进气口宽度；当火焰高度达到最高时，环量也存在1个临界值。     

乙二醇流淌火燃烧特性及围堵性能研究

为研究乙二醇流淌火燃烧蔓延特性,利用自行设计的流淌火试验平台,开展了乙二醇流淌火实体试验,研究了试验过程中火焰温度、前锋移动、火焰高度等典型参数变化规律。同时,为实现流淌火的有效蔓延控制,开发酚醛泡沫材料模拟乙二醇流淌火围堵处置,评价其围堵效能。结果表明:乙二醇流淌火燃烧速度缓慢,火焰温度低于池火温度;酚醛泡沫材料对可燃液体流淌火展现出较好耐火、阻隔作用,对液体危化品的泄漏围堵具有积极实践意义。     

基于FLACS CFD的不同气油比油气混输管道泄漏火灾后果对比

不同气油比的油气混输管道泄漏后果危害形式和风险差异的准确判断对于管道泄漏应急处置至关重要。以中国西部某油田集输管道为研究对象,针对不同气油比管道泄漏的火灾危害进行了对比分析,构建了FLACS CFD模型,并研究了油气混输管道原油泄漏形成池火的火灾特征和影响范围,以及天然气泄漏形成喷射火的高温分布和影响规律。研究结果表明:应急处置应考虑不同气油比下池火与喷射火危害的差异。在油气混输管线泄漏10 min形成稳定火焰的场景中,气油比低于100 m3/t时,原油池火为火灾危险的主要影响因素;气油比高于200 m3/t时,天然气喷射火为主要影响因素;气油比超过250 m3/t,高温覆盖距离不再明显增加;40 m为此场景下混输油气泄漏喷射火致死距离上限,120 m为温度影响上限。     

航空煤油薄油层燃烧特性实验研究

为研究薄油层燃烧特性，开展航空煤油薄层油池火实验，分析油品燃烧的整个过程、燃烧速率、火焰高度和辐射反馈等参数随时间的变化规律。结果表明:整个薄层燃烧过程除发展、稳定和熄灭阶段外，还存在薄层燃烧衰减阶段。稳定阶段的燃烧速率与初始油层厚度相关，但随着厚度的增加其逐渐趋于稳定；薄层燃烧衰减阶段，燃烧速率会随着实时油层厚度的下降逐渐降低。对比火焰高度的实测值和模型预测值发现，Heskestad模型的预测更接近实际结果；燃烧发展阶段后，火焰辐射反馈基本维持稳定，受初始厚度的影响较小，但辐射透射强度会随着油层厚度的降低而增加，且增速逐渐加快，表明辐射透射在薄层燃烧衰退阶段中起到关键作用。结合辐射透射的变化规律，将辐射反馈分为可吸收和不可吸收2部分，并提出用于预测辐射透射大小的经验模型。     

喷射火对输油管道热影响实验平台设计与验证*

为研究油气并行管道中,天然气管道喷射火对相邻输油管道内流体与管壁的热影响,设计并搭建天然气喷射火对输油管道热影响实验平台。实验平台由环道及冷却系统、火焰系统、控制及数据采集系统3个部分组成。完成平台搭建并验证环道系统气密性后,以0#柴油为介质,开展验证实验。研究结果表明:火焰系统工作可靠且可控,冷却系统能够将柴油温度控制在初馏点以下,数据采集系统能够正常采集油品压力、温度、流量、管壁温度、火焰温度等预定数据,实验平台具备一定可行性与安全性。实验平台可进行在不同管道规格及材质、火灾形式、油品介质及流速条件下的热影响实验。实验平台结合材料性能进行测试,可研究喷射火对管材性能的影响,为油气并行管道的安全运行提供相关实验依据。     

基于CFD的大型储油罐区池火灾数值模拟*

为研究大型储油罐区池火灾温度、热辐射强度、流速、组分等燃烧特性参数在油罐外不同区域的变化规律，以10万m3原油储罐区为研究对象，构建罐区池火灾燃烧数学模型，运用计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）技术进行数值模拟研究。结果表明:整个火场温度大致呈锥形分布，火焰温度最高可达1 500 K，纵向来看，底部温度较高，上部温度逐渐降低，径向来看，中心温度较高，周围温度逐渐降低；随着距罐壁以及距罐顶距离的不断增加，热辐射强度均呈现逐渐降低的趋势，最高热辐射强度为132 kW/m2；罐顶上方区域存在火焰卷吸现象，中心位置流速最大，最高可达56 m/s，罐底区域存在火焰贴壁现象；得到燃烧产物（CO和CO2）的体积分数分布，以CO体积分数为0.001作为判断依据，推断出火焰高度为120 m。研究结果可为今后此类火灾事故的防治提供理论支撑。