直線移動火源擴散火焰加速運動下的傾角特性

樓波，許建紅，林振冠，徐毅

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直線移動火源擴散火焰加速運動下的傾角特性

樓波，許建紅，林振冠，徐毅

(華南理工大學電力學院，廣東廣州，510640)

利用高速攝像實時獲得勻加速直線運動下移動火源擴散火焰的圖像序列，結合數字圖像處理和力場分析研究火焰傾角受速度、加速度影響的變化規律。研究結果表明：處于非慣性系的火焰傾角增加規律經歷3個不同速率的變化階段；處于非慣性系的火焰傾角與火焰合力傾角并不是在同一方向上，火焰合力傾角要先于火焰傾角發生偏移，二者之間存在夾角，且大加速度工況下夾角大，隨著速度增加，空氣阻力增加，夾角減小，火焰傾角與火焰合力傾角同時趨近90°。

移動火源；火焰傾角；火焰力場；慣性力

圖像攝像儀結合數字圖像處理技術是研究燃燒火焰特征的有效方法[1?7]。Fan等[1]利用高速攝像儀捕獲了火焰在熱中尺度石英玻璃制成的徑向通道的燃燒動態過程，分析了非對稱火焰的燃燒特征。白衛東等[4?5]通過對火焰圖像處理提取了火焰亮度、質心偏移距離和圓形度等特征量，借用狀態判斷算法對火焰進行識別和檢測。吳晉湘等[6]利用實時攝像的方法分析了不同轉速和氣流射流角產生離心力和科氏力對火焰結構的實驗影響。蔣曉剛等[7]通過實驗對人工擾流條件下的丁烷射流燃燒形成的火焰傾角進行實例分析，探討空氣擾流速度變化對火焰傾角的影響。但目前國內外學者對移動火源擴散火焰[8?10]的基礎研究較少，仍未很清楚了解移動火源擴散火焰的內在本質和燃燒機理，本文作者通過分析運動速度和力場對火焰形態的影響規律，為進一步認識移動火源下火焰特性提供一定依據。與靜止的火焰不同，移動火源是指著火時火源點處于運動狀態。隨著各種交通工具的增多及其速度的加快，表面起火(移動火源擴散火焰)發生的機率也在增加。Lou等[8?10]在移動火源擴散火焰前期研究工作中，對圓周運動下和直線勻速運動下移動火源進行描述并通過實驗揭示周圍氣流變化對蠟燭擴散火焰影響的規律。本文作者利用無限大空間勻加速直線運動火源燃燒實驗平臺和美國柯達公司Motion Corder Analyzer高速攝像儀對移動火源擴散火焰進行拍攝和記錄，研究其加速運動下的傾角特性。

1 實驗

1.1 實驗系統和方法

圖1所示為勻加速直線移動火源擴散火焰實驗系統圖，燈芯固定在滑道小車上，小車由繩子牽引，繩子的另一端經過定滑輪和滑輪組，通過砝碼提供動力(圖上重物)，使小車做勻加速直線運動。通過調節高速攝像儀與火源距離，確保能拍攝火源清晰圖像。拍攝火源從靜止開始移動的整個過程。試驗中，通過改變砝碼的質量來改變加速度。在滑道上確定一段拍攝范圍，設置攝像儀拍攝頻率，本實驗圖像拍攝幀數設置為500幀/s，根據圖像的張數和位置確定火源的速度和加速度。本文研究火源速度范圍為0.012~1.560 m/s，加速度分別為2.5，3.6，5.4和6.5 m/s2，探討了火源運動狀態火焰傾角的變化。

1—高速攝像機；2—計算機主機系統；3—圖像采集卡；4—圖像監視器；5—移動火源擴散火焰；6—柴油燃燒器；7—小車；8—滑輪組；9—砝碼；10—定滑輪

1.2 實驗圖像

實驗中獲取了加速度分別為2.5，3.6，5.4和6.5 m/s2的移動火源擴散火焰圖像。圖2所示為加速度為5.4 m/s2，速度范圍為0.054~1.350 m/s的移動火源擴散火焰勻加速直線運動圖像序列。該序列是從拍攝圖像的原始序列中每隔4張取出1張，共取25張，相鄰兩張的間隔時間為0.01 s，便于計算火焰傾角。

由圖2可見：速度從0.054 m/s增加到0.162 m/s時，火焰面基本呈圓柱狀形，火焰逐漸發生偏移，但較為平緩；速度從0.216 m/s增加到1.080 m/s時，火焰外形變化明顯，偏移程度加快；而速度從1.134 m/s增加到1.350 m/s時，火焰傾斜形態變化較為平緩，基本與水平方向平行。

v/(m?s?1): (a) 0.054; (b) 0.108; (c) 0.162; (d) 0.216; (e) 0.270; (f) 0.324; (g) 0.378; (h) 0.432; (i) 0.486; (j) 0.540; (k) 0.594; (l) 0.648; (m) 0.702; (n) 0.756; (o) 0.810; (p) 0.864; (q) 0.918; (r) 0.972; (s) 1.026; (t) 1.080; (u) 1.134; (v) 1.188; (w) 1.242; (x) 1.296; (y) 1.350

2 實驗結果分析

2.1 火焰傾角

火焰在力場的作用下會產生一定的傾角，樓波等[8]曾用火焰頂點和底邊中點連線直觀表示圓周運動的火焰傾斜角度。但直線加速運動時，火焰受慣性力作用，火焰彎曲較大，邊緣形狀不規則，無法用直線法確定火焰偏轉角度。本文火焰傾角定義為：火焰區域圖像質心與火焰根部中點′的連線，該連線和垂直方向的夾角即為火焰傾角，其中火焰根部中點′是火焰根部點與點之間線段的中點，傾角定義示意圖3(b)所示。文中通過matlab編程對拍攝火焰圖片用最大類間方差法[11?12]迭代出二值化圖像并進行邊緣提取，確定和標記火焰質心和火焰根部中點，后使用E-Ruler電子測算角度工具測量并記錄火焰傾角。圖像質心坐標[13?14]求解公式如下：

其中：和為火焰圖片任意點坐標；c和c為火焰質心坐標；(,)是二值函數，(,)=1特征區域，(,)=0背景。火焰質心和傾角示意圖如圖3所示。

(a) 火焰質心圖(“+”為火焰質心標記)；(b) 火焰傾角定義示意圖

圖4所示為移動火源在加速度2.5，3.6，5.4和6.5 m/s2時火焰傾角隨速度的變化曲線。由圖4可知：火焰傾角變化規律經歷3個階段，特別在加速度高時(=6.5 m/s2)更加明顯：1) 第1階段，當火源運動速度較低，火焰傾角變化趨勢較快，如加速度=6.5 m/s2的工況，火源速度從0.06 m/s增加到0.65 m/s，火焰傾角則從3°增大到61°。2) 第2階段，火焰傾角變化趨勢較第1階段慢，增加速率降低，火源速度從0.71m/s增加到1.1 m/s，火焰傾角則從65°增大到86°。3) 第3階段，此時空氣阻力進一步增大，但火焰傾角并沒有繼續快速增加，而是趨于平緩，火源速度從1.23 m/s增加到1.56 m/s，火焰傾角接近90°。

a/(m?s?2): 1—2.5; 2—3.6; 3—5.4; 4—6.5

2.2 火焰力場對傾角的影響

在一個非慣性系中，當系統存在一加速度時，則慣性力G遵循公式：，負號表示與系統運動方向相反。處于加速度運動狀態的火源主要受到3個力的作用，分別是火焰自身重力g，火焰浮力f，火焰移動產生的與空氣之間的空氣阻力Z，由加速度引起的慣性力G。圖5所示是加速度為3.6 m/s2下速度分別為0.14，0.54和1.26 m/s的火焰受力分析示意圖。

v/(m?s?1): (a) 0.14; (b) 0.54; (c) 1.26

當速度為0.14 m/s時，火焰剛從靜止開始，因其速度小，阻力較小，相對而言，作用在火焰的浮力和慣性力較大，火焰受到合力指向左上方，火焰傾角較小(傾角18°，見圖4，因火源加速運動速度時刻變化，火焰受到合力傾角往往大于火焰傾角)。當速度為0.46 m/s時，速度增大，阻力增大，火焰合力逆時針偏移，火焰傾角增大。速度繼續增加到1.26 m/s，火焰傾角在合力作用下繼續增大，這時空氣阻力在火焰的力場中占據主導地位。浮力和慣性力退居其次，即在火焰高速運動工況下，火焰的合力可近似看作是火焰所受到的空氣阻力，故使火焰往水平方向偏移，偏角接近90°。

2.3 慣性力對火焰傾角的影響

火源載體以加速度開始運動的一瞬間，由于速度近乎為零，火焰在水平面上空氣阻力非常小，主要受慣性力作用，方向與火源載體運動方向相反。圖6所示是=0.04 s，加速度分別為2.5，3.6，5.4和6.5 m/s2的火焰開始運動的一瞬間傾斜形態，在同一速度下，加速度越小的火焰在開始運動的一瞬間，所受的慣性力則越小，火焰上下形態整體偏移均勻，偏移角度較大。加速度大的火焰在開始運動的一瞬間，所受的水平向左的慣性力也越大，導致火焰下面部分移動，而中上部區域未開始發生偏移，整個火焰質心偏離不大，即大加速度工況下的火焰傾角發生偏移較遲滯。圖4中火焰傾角隨速度和加速度變化曲線的初始運動階段正是反映了這種規律。

a/(m?s?2): (a) 2.5; (b) 3.6; (c) 5.4; (d) 6.5

2.4 火焰合力傾角

火焰載體做勻速直線運動，火焰所受的合力與火焰傾角在同一方向上，這時火焰合力傾角和火焰傾角保持一致。而本文研究的非慣性系的勻加速直線運動中，火焰傾角與火焰合力傾角并不是在同一方向上，火焰合力傾角要先于火焰傾角發生偏移，兩者之間的夾角記為，如圖7所示。在圖4中，例如對加速度=6.5 m/s2的傾角特性曲線，大加速度下水平方向慣性力大，合力傾角較大，但這時火焰下部移動較快，中上部基本不動，整個火焰質心偏離不大，火焰傾角較小，兩者之間的夾角較大。隨著運動進行，到第2階段，在加速度大的工況下，慣性力使火焰圖像傾角快速增加，很快趕上并超過加速度小的工況下的火焰傾角。第3階段由于速度較快，空氣阻力起決定作用，慣性力的影響減弱，合力與火焰傾角之間的夾角減小并趨近于0°，最后的火焰偏角接近并穩定在90°位置。

圖7 火焰合力傾角α、火焰傾角β和合力與火焰傾角之間的夾角γ的示意圖

3 誤差分析

本研究的火焰傾角是通過實驗平臺和高速攝像儀得到火焰圖像，然后在MATLAB軟件編程獲取火焰圖像的質心和傾角。但是在火焰圖像的采集和處理的過程中，由于火焰載體的速度、拍攝角度、現場氣流干擾、火焰圖像預處理等因素的影響，實測數據存在誤差。

3.1 系統誤差

方法誤差主要包括：1) 拍攝的圖像是二維且豎直于水平面的，高速攝像機固定于某一位置，火焰運動發生位移時，鏡頭軸線并不總是垂直于火焰，因此拍攝到的圖像是火焰面在拍攝平面上的投影，比實際火焰傾斜形態小些。2) 最大類間方差法迭代出二值化圖像分割閾值會影響獲取的火焰二值化圖像，MATLAB軟件環境下計算出的火焰傾角，計算出的火焰傾角與真實火焰傾角相比，會存在誤差。

3.2 隨機誤差

攝取火焰運動圖像序列的現場是大空間封閉的環境，但也可能出現氣流干擾，影響到火焰燃燒的正常形態，導致高速攝像機輸出的火焰圖像可能出現隨機誤差。因此，在實驗中，一方面盡量減少干擾氣流的存在；另一方面，通過增加實驗次數取平均值消除隨機誤差。

4 結論

1) 火焰傾角變化規律經歷3個階段：第1階段，火源速度從0.06 m/s增加到0.65 m/s，火焰傾角則從3°增大到61°，火焰傾角變化趨勢較快；第2階段，火源速度從0.71 m/s增加到1.1 m/s，火焰傾角則從65°增大到86°，火焰傾角變化趨勢變為平緩；第3階段，當火焰速度達到高速度1.56 m/s以后，火焰傾角逐漸接近或等于90°。在加速度大的工況下，火焰傾角第1階段滯后，第2和第3階段增速明顯。

2) 處于非慣性系的火焰傾角與火焰合力傾角并不是在同一方向上，火焰合力傾角大于火焰傾角，兩者之間存在夾角。速度小時慣性力作用顯著，夾角較大，而速度大時阻力起決定作用；夾角減小，火焰傾角與火焰合力傾角同時趨近90°。

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Inclination characteristic of diffusion flame of moving fire on linear acceleration motion

LOU Bo, XU Jianhong, LIN Zhenguan, XU Yi

(School of Electric Power, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

The image series of the diffusion flame of moving fire on acceleration motion were acquired by using high-speed video camera and the flame inclination characteristic was studied. The results show that flame inclination increase undergoes three stages of changing velocity in non-inertial system. It is not in same direction between flame resultant and flame inclination. In non-inertial system, the flame resultant angle shifts first to the flame inclination and forms an intersection angle. Moreover, the higher acceleration flame is, the more sluggish flame inclination will be. With the increase of flame speed, the air resistance increases and the intersection angle decreases, and the flame resultant angle and the flame inclination finally approach to 90°.

moving fire; flame inclination; flame force field; inertial force

10.11817/j.issn.1672-7207.2015.07.044

TK16

A

1672?7207(2015)07?2707?06

2014?07?19；

2014?10?13

廣東省自然科學基金資助項目(S2013010016748)；廣東省能源高效清潔利用重點實驗室項目(KLB10004) (Project(2008A060301002) supported by the Natural Science Foundation of Guangdong Province, China; Project(KLB10004) supported by Key Laboratory of Efficient and Clean Energy Utilization of Guangdong Province, China)

樓波，博士，副教授，從事燃燒理論與應用研究：E-mail: loubo@scut.edu.cn

(編輯 楊幼平)