（热能工程专业论文）图像处理技术在湍流火焰实验研究中的应用.pdf

上海交通大学硕士学位论文 摘要 图像处理技术在湍流火焰试验研究中的应用 _ - - 一一一一 摘要 【我国以煤炭为主的能源消费结构在5 0 年内不会有大的变化。耗 煤量占煤总产量达3 1 5 的火力发电厂是大气污染物( s 0 2 、n o 。等) 排放的大户。如何经济地降低污染物的排放这一课题，随着单个机 组容量不断增大的趋势而显得越来越重要，其中，超低n o 。排放的 旋流燃烧器就是解决方案之一。 旋转射流在不同工况下的流场结构是设计超低n o 。旋流燃烧器 的关键，但如何准确获得流场信息对传统的试验研究手段是一个难 点。随着计算机技术的发展，新兴的测量技术有望解决传统试验手 段所面临的困难，其中图像处理技术在流场可视化，流场速度测量 等方面发挥了巨大的作用。 另外，分形理论在燃烧学中的引入为研究火焰的几何结构特性 确立了一个有效的数学工具，开辟了燃烧学研究的新领域。 基于以上的理论和应用背景，本文结合图像处理技术与分形理 论，对一台径向分层旋流燃烧器进行了流场可视化，流场速度判断 等方面的试验研究，获得了有意义的结果。太 本文首先从理论和实际应用角度论述了课题研究的背景和意 义，对燃烧理论的研究和发展动态作了简要的综述，在比较和借鉴 相关领域的研究工作的基础上提出了本文的研究内容。 其次简要介绍了试验系统、相关理论及图像处理技术，说明了 径向分层旋流燃烧器的改造过程，并进行了图像采集与处理系统的 调试。 本文的研究结果如下： 在对煤气火焰的研究中，利用火焰图像的灰度等值线模拟火焰 锋面，籍此完成对火焰锋面的分维数特性的计算。分析结果表明， 利用火焰锋面的分形维数并结合时间和空间上的统计，可以用于分 = 海交通大学硕士学位论文 摘要 折射流混合情况在时间上和空间上的发展趋势。在煤气火焰中添加 煤粉进行示踪，获得了颗粒运动的情况。用很直观的方法模拟了一 种流场速度简易测量算法，指出了算法成立的条件，并对如何在实 际中应用该算法作了若干建议。 关键词：旋流燃烧器j 图像处理? 分形，分层流 上惠交通大学顽士学位论文 t h ea p p l i c a n 0 no fi m a g ep r o c e s s i n g t e c h n i q u e i nt h ee x p e r j m e n l a ls t u d yo f t u r b u l e n tf l a m e a b s t r a c t t h ep r e s e n te n e r g yc o n s u m p t i o i ls t r u c t u r ei no u rc o u l l t r y , i nw h i c h t h ec o a lh a sav e r yb i gs h a r e w i l lr e m a i ns t e a d yi n5 0y e a r s t h em a i n s o u r c eo ft h ea i rp o l l u t a n ts u c ha ss 0 2a n dn o x 也ef o e le l e c t r i cp l a n t h a sc o n s u m e du pt o31 5 o fa n n u a lp r o d u c t i o no fc o a l t h et r e n dt h a t t h ec a p a c i t yo fo n es i n g l eu t i l i t yi sb e c o m i n gb i g g e ra n db i g g e r , m a k e s t h ep r o b l e mt ol o w e rt h ep o l l u t a n te m i s s i o ne c o n o m i c a l t ym o r ea n d m o r ei m p o r t a n t a m o n gv a r i o u ss o l u t i o n s ，t h e s w i r l i n g b u r n e rw i t h u l t r a - l o wn o xe m i s s i o ni sap r o m i s i n go n e t h ef l o wf i e l dc h a r a c t e r i s t i co fs w i r l i n gj e tc u r r e n tu n d e rv a r i o u s c o n d i t i o n si sak e yf a c t o ri n s w i r l i n g b u m e rd e s i g n ，b u ti ti sv e r y d i f f i c u l tt o g e t s u c h i n f o r m a t i o nb ym e a n so ft r a d i t i o n a le x p e r i m e n t m e t h o d sw i t ht h e d e v e l o p m e n t o ft h e c o m p u t i n gt e c h n o l o g y ，t h e e m e r g i n gm e a s u r e m e n t sb r i n gu st h eh o p et oo v e r c o m et h ed i f f i c u l t i e s ， s u c ha s i m a g ep r o c e s s i n gt e c h n i q u e ，w h i c h i s v e r y e f f e c t i v ei nt h e v i s u a l i z a t i o na n dt h ev e l o c i t ym e a s u r e m e n to ft h ef l o wf i e l d i na d d i t i o n ，t h ei n t r o d u c eo ff r a c t a lt h e o r yi n t ot h e c o m b u s t i o n r e s e a t c hh a se s t a b l i s h e da ne f f e c t i v em a t ht o o lf o r 也ef l a m ef r o n ts t u d y ， a n dd e m o n s t r a t e dan e wr e s e a r c hd i r e c t i o n b a s e do nb o t ht h et h e o r ya n dt h ea p p l i c a t i o nb a c k g r o u n d s ，t h i st h e s i s h a sm a n a g e dt ov i s u a l i z e dt h ef l o wf i e l do fa nr a d i a l l ys t r a t i f i e ds w i r l i n g b u r n e rb yt h ec o m b i n a t i o no ft h ei m a g ep r o c e s s i n gt e c h n i q u ea n dt h e f r a c t a lt h e o r y , a n dh a sa c q u i r e ds o m e t h i n gv e r yi n t e r e s t i n g t h ec o n t e n t 上海交通大学硕士学位论文摘要 o f t h i st h e s i si sa sf o l l o w s ： f i r s t l y , i td e s c r i b e dt h ep u r p o s eo f t h i sa r t i c l ef r o mv i e w so fb o t ht h e t h e o r y a n d a p p l i c a t i o nv a l u e ，s u m m a r i z e d t h e d e v e l o p m e n t o ft h e c o m b u s t i o nt h e o r y , p r o p o s e dt h et o p i co ft h i st h e s i sb yc o m p a r i n ga n d b o r r o w i n gi d e a sf r o mv a r i o u sr e s e a r c hw o r k o fr e l e v a n tf i e l d s s e c o n d l ni t i n t r o d u c e dt h ee x p e r i m e n ts y s t e m ，t h ef r a c t a lt h e o r ya n d t h e i m a g ep r o c e s s i n gt e c h n i q u e ，i n c l u d i n g t h em o d i f i c a t i o no ft h e c o m b u s t o r , 仃o u b l e s h o o t i n g o ft h e i m a g ea c q u i s i t i o n a n dp r o c e s s i n g s y s t e m ，e t c t h er e s u l ti s ： i nt h e s t u d yo fc o a lg a sf l a m e ，t h ef l a m ef r o n t i ss i m u l a t e db yt h e g r a y s c a l ec o n t o u r so ft h ef l a m e i m a g e s ，a n dt h e f r a c t a ld i m e n s i o n c a l c u l a t i o ni s a c c o m p l i s h e do nt h e s ec o n t o u r s t h ea n a l y s i ss h o w st h a t t h ef r a c t a ld i m e n s i o no ff l a m e f r o n t ，c o m b i n e d w i t ht h es t a t i s t i c a l m e t h o d so ft h et e m p o r a ls e r i e sa n dt h es p a c el a t t i c e ，c a nb eu s e di n a n a l y z i n g t h eb l e n do ft h e s w i r l i n gj e tc u r r e n t t r a c i n gp a r t i c l e s a r e a d d e di n t ot h ec o a lg a s ，a n dt h em o v e m e n to ft h e mi sa c q u k e d a np l a i n a l g o r i t h mo f f l o wf i e l dv e l o c i m e t r yi sv e r i f i e di na ni l l u s t r a t i v ew a y , a n d b o t ht h ea p p l i c a b i l i t ya n ds o m e s u g g e s t i o n a b o u ti ta r e p o i n t e d o u t k e yw o r d s ：s w i r l i n g b u r n e r ，i m a g ep r o c e s s i n g ，f i - a c t a lt h e o r y , s t r a t i f i e df l o w 上海变通大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 本课题的学科背景 第一章绪论 1 1 1 湍流燃烧研究所面临的困难 燃烧现象广泛存在于人类社会之中。火作为人类最早支配的自然力，已经成 为人类征服自然的强大动力燃烧是人类从自然界获取能量的最主要、最直接 的方式。如今，燃烧在现代工业化国民经济及能源基础产业中占据了举足轻重的 地位，广泛应用于动力、化工、钢铁、冶金、环境保护等工业及航空航天等高科 技领域。正是因为燃烧在工程中的这一重要地位，人们很早就开始了对燃烧现象、 燃烧理论的研究，并且也取得了丰硕的成果。不过也应该看到，人们所研究的对 象大多是经过理想化处理后的燃烧现象，与实际工程的燃烧过程有很大距离。传 统燃烧理论从反应动力学、传热和传质相互作用的角度建立了着火、火焰传播和 湍流燃烧等典型模型，而所有这些仅可以定性地揭示燃烧现象的特征【1 1 1 2 1 1 3 i 。 湍流气体火焰在燃烧领域中始终是是一个古老而常新的论题。人们对火焰的 认识从层流到湍流标志着燃烧理论的一次质的飞跃。对湍流气体火焰的研究是对 其它各种化石类燃料燃烧规律研究的基础，因此它不仅具有基础性理论研究的价 值，而且在能源、化工以及航空航天等高科技领域具有广阔的应用前景。湍流理 论的发展已经历了一个漫长的探索过程，从最早的雷诺试验，到v o nk a r m a n 的 时空脉动：从周培源教授的旋涡理论，到现代湍流拟序理论，众多学者从各自不 同的角度力图揭示湍流运动的奥秘。然而，至今人们仍然无法给予湍流一个明确 的定义，这主要归因于湍流自身具有的随机脉动、涡旋结构、能量耗散及时空不 确定性等独特性质。这些性质使得人们无法对表征湍流的特性参数进行明确的数 学描述，只有借助大量随机序列的数据，利用统计平均加脉动项获得概率统计规 律，给湍流的理论研究造成了极大的障碍；另外，基于时间和空间脉动的测量参 数给湍流的试验测量增加了很大的难度，至今，对微尺度的湍流涡团结构仍无法 由试验验证。而湍流燃烧过程是在湍流流动基础上再耦合以强烈的化学反应过 程，它不仅涵盖了流体力学、概率统计等理论，而且与传热学、燃烧学、化学动 上海交通大学硕士学位论文第一章结论 力学及众多新颖的非线性理论密切联系，是一个强非线性动力学系统。湍流与燃 烧的相互作用使得湍流结构更加复杂，脉动频率更加剧烈，湍流输运能力大大加 强。因此，湍流燃烧的研究较之湍流自身又有了更大的难度。 1 1 2 计算机技术的高速发展为燃烧现象的研究提供了强有力的工具 现代计算机技术的迅猛发展为湍流燃烧的理论和试验研究提供了强有力的 手段。首先，它表现在湍流燃烧的试验测量方面。试验研究是验证和推动理论研 究的发展的必需环节，对燃烧科学来说更是如此。影响整个燃烧过程的局部物理、 化学结构参数众多，且对某一进程的影响程度各异，准确及时地获得各种试验参 数是理论研究的基础。然而，传统的热工参数测量手段在采样速度、测量精度上 很难实现这一目标，甚至会干扰原有的流场。计算机技术和图象处理、激光诊断 等高科技技术相结合，为湍流燃烧的试验测试开辟了广阔的空间。高速动态的二 维图象采集提供了直观的分析对象：先进的图像处理技术使得特征量的提取更加 快速准确：大功率激光器件的引入不仅解决了速度、温度及浓度场的无干扰测量， 而且为燃烧过程的高速、高能量输入创造了条件。七十年代出现的激光多普勒测 速仪以及近三十年迅速发展起来的流场显示技术，极大地丰富了湍流研究的试验 手段，拓宽了试验的功能。值得一提的是九十年代出现的粒子图像速度场仪 ( 尸胁t i c l el m a g m gv e l o c i m e t h r p ，y ) 。这是超出单空间点的测量技术，能在瞬 间测出几千乃至上万个点的速度，提供丰富的流动空间结构的信息，有可能获得 流动中的小尺度结构逼真的图像，兼备热线风速仪的精度和流动显示定性结果的 能力h i 。 其次，在湍流燃烧的数值模拟方面，计算机同样发挥了无可替代的优势。湍 流流动及燃烧的数值模拟的发展时间并不久远，但已取得了丰硕的成果。湍流流 场及与湍流流场耦合的多相、多组份化学反应流浓度场的数值模拟的成功，一方 面验证并完善了理论模型，另一方面使得研究人员摆脱了繁重复杂的试验工作。 随着计算机的容量、速度的不断提高，以及网络技术的成熟，基于大规模并行处 理的直接数值模拟( d i r e c t n u m e c a l s i 卅z ，肠“d 忡一d 俘) 技术的日益受到重视， 它对n a v i o r - s t o k e s 本构方程的直接模拟，既可以避免由构造湍流模型带来的困难 和误差，又可以提供流场中所有量的信息，为分析流场和发展新理论提供坚实的 2 上坶交通大学硕士学位论文第一章绪论 基础。另外通过数值解同图像处理技术的结合，还可以得到直观的流动显示图像 因此它代表了今后数值模拟的发展方向。 1 13 湍流燃烧理论研究的发展 1 1 3 1 湍流燃烧非线l 生理论分析 分数维理论是非线性理论发展的一个分支，在湍流燃烧的研究中已有具体的 应用。m a t m e l b r o t 提出的分形理论从几何角度为湍流涡团的结构变化提供了有力 的数学工具，从而使定量化描述高强度湍流火焰随机、复杂几何特征成为可能。 s m a l l w o o d 研究了预混甲烷和空气燃烧时的火焰锋面特性，利用分数维理论确定 了湍流褶皱区火焰在不同湍流强度、湍流尺度及化学当量比等条件下的分数维， j ；：发现了内外截止尺度的存在。近年来，在湍流火焰结构的理论分析方面取得了 长足的进步。目前，对褶皱火焰的研究主要有两种方法。一种是表面密度理论， 日0 将平均火焰表面积与容积的比率定义为火焰的表面密度。另一种是分形几何理 论。已经发现，将分形几何理论应用于褶皱火焰锋面的描述，可以对在假定的转 折尺度和分形尺寸下估计湍流火焰速度提供合理的依据 5 1 【6 j 。 1 1 3 2 湍流火焰结构的试验分析 对湍流火焰的研究除了在理论分析方面取得长足的进展外，试验手段上也得 到了极大的丰富。计算机技术的发展和高技术激光器的应用，提供了解决这一问 题的新途径。利用计算机图像处理技术，可以对火焰形状进行直观的、细致入微 的观察、分析和研究。利用激光层析技术，可以得到火焰的断层图像，这对于研 究湍流火焰的结构具有重大的意义。 k i m u r a 认为火焰抖动的原因在于外侧环形涡团结构与火焰强烈作用在火 焰面形成向外的突起。用线性理论去预测火焰的抖动的频率，虽然获得了符合试 验现象的结论，但深层次的理论研究如为什么抖动频率与燃料种类、喷口直径和 雷诺数基本无关等还没有展开。d a m 憎和j g l e e 进行了湍流预混火焰的延伸率 的研究，提出火焰延伸率与火焰曲线度及局部流动应变率之间的关系式。通过对 湍流火焰延伸率的测量，发现该参数对局部火焰特性有重要影响：它会直接影响 火焰褶皱的形成，从而改变火焰传播速度；由它所引起的火焰温度变化会影响到 二：每交通太学碗士学位论文第一章鲳论 决定污染物生成的燃烧动力学机理。l e e 和s a n t a c i c c a 利用旋涡诱导速度场和火 焰传播速度间的运动学关系通过计算获得了在不同预混火焰与涡团配置情况下 的火焰锋面的几何状况和预混火焰的延伸率，发现了用于预测最大火焰延伸率发 生的条件和火焰、涡团作用的时间尺度。l e e 等认为湍流预混火焰锋面曲线的曲 率是一个重要的空间特性，利用d 日激光诱导荧光效应的平面图像，定量化获得 了火焰薄层曲率度和方向的统计结果【7 1 【8 j 【9 1 1 1 。 1 2 本课题的工程背景 1 2 1 我国的能源结构及其影响 我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，占世界煤产量的2 5 。据统计， 我国己探明的煤炭储量为8 4 0 0 亿吨，年产量达1 37 5 亿吨，其中8 0 用于燃烧。 1 9 9 3 年的统计结果表明，全国所消耗的煤炭已向大气排放了烟尘约1 4 0 0 万吨， s o 。1 6 0 0 万吨，n o ；1 4 0 0 万吨以上，此外尚有少量的有害金属元素。 在我国的能源消费结构中，化石矿物类燃料占据了绝对大的比重。煤炭是我 国分布最广、较为丰富的能源，而石油、天然气资源则相对不足。随着工业化的 进展和人民生活水平的提高，能源领域内所消耗的核能及油气类燃料的绝对量会 有相当大的增加，因此多种燃料和燃烧方式并存的能源利用格局会成为未来能源 利用的主流，不过根据预测，直到本世纪中叶，我国以煤为主的能源结构仍不会 改变。 煤的燃烧会产生大量的污染物，导致严重的大气污染、酸雨和水污染。在我 国，二氧化硫排放量的9 0 、烟尘排放量的7 0 是燃煤造成的。煤炭作为高碳 能源，其燃烧排放的二氧化碳等温室气体，可能导致全球气候变化和臭氧层的破 坏，这更是国际社会普遍关注的一个热点。大气污染早已引起了专家的重视。1 9 7 4 年1 月，我国制定了工业三废排放试行标准( g b j 4 1 7 3 ) ，对大气污染物的 排放进行了限制。根据我国的大气污染防治法规( 1 9 9 5 ) 和环境空气质量标准， 我国又于1 9 9 6 年重新制定了若干大气污染物的排放标准，如大气污染物综合 排放标准( g b i 6 2 9 7 1 9 9 6 ) ，该标准于1 9 9 7 年1 月1 日开始实施，对3 3 种污 4 上海交通大学硕士学位论文第一章绪论 染物规定了排放的标准：火电厂大气污染物排放标准( g b l 3 2 2 3 1 9 9 6 ) ，首 次规定了氯氧化物的排放标准。由此，减少燃煤锅炉的污染物排放成为当前的研 究热点。虽然c f b 、职b c 一( 1 c ，g c c 等一系列先进的发电技术可能是下一世 纪的主流，但现实是( 至少目前是) ，煤粉锅炉仍然是太容量发电机组的主要形 式，研究常规的煤粉洁净燃烧技术具有重大意义。我国是联和国气候变化框架 公约的签字国，发展煤的洁净技术，减少二氧化硫、氮氧化合物、烟尘和酸雨 的污染，是实现可持续发展的重要组成部分；控制二氧化碳、甲烷等温室气体的 排放，保护大气层，是中国政府履行国际公约、承担相应国际义务的重要方面， 也是促进我国以煤炭为主的能源系统向保护环境、可持续发展的模式转变的战略 组成部分j 。 1 22 我国火电厂在单个机组太容量化和环保标准严格化趋势中所面临的问题 我国用于发电的煤炭占总产量的3 15 。我国火电厂的煤粉锅炉在燃烧上主 要存在5 个方面的问题：锅炉燃烧不稳定、炉膛结渣，四管爆破、燃烧效率低和 污染严重。这些问题集中体现在燃烧系统上，尤其是煤粉燃烧器。虽然国外已经 发展了很多先进的燃烧器，但是我国的煤质变化大，且多燃烧劣质煤，所以引进 的先进技术和设备经常达不到预期的要求。近年来我国也作了大量的研究工作， 开发了多种新型的燃烧器，在改善电厂的稳燃、调峰、节油、增加煤种适应性等 南面取得了很好的效果。在“九五”攻关中，国家科委安排了洁净煤燃烧技术， 拟在3 0 0 m w 机组上达到下列指标( 表1 1 ) 。“九五”计划的成功实拖，将使我 国的煤粉洁净燃烧技术达到个新的水平1 1 ”。 由于历史的原因，我国引进的大容量燃煤发电机组广泛采用了四角切圆燃烧 方式，然而在运行过程中出现了烟温偏差导致的严重的过热、再热器超温爆管问 题。此外，发电机组容量不断增大的现实趋势和越来越严格n o 。的排放标准， 都突显出研究开发新型的低n o 。煤粉旋流燃烧器系统的重大意义。 旋流燃烧器与直流燃烧器有显著不同的特点，且随着锅炉容量的增大差别越 明显。直流燃烧器多采用四角切圆布置，而旋流燃烧器多采用墙式对冲布置。 直流燃烧器四角切圆燃烧方式的优点是f l 3 】： 1 四面水冷壁热负荷均匀，炉内最大热流密度低，有利于避免水冷壁的 j ：海交姻太学痂! 士学位论文 第一章绪论 膜态沸腾； 2炉内气流的旋转使风粉气流的混合改善； 3 相邻燃烧器火焰柜互点燃，燃烧稳定； 4 燃烧器阻力小，对煤种的适应性强。 直流燃烧器的缺点是：炉内气流的残余旋转引起水平烟道烟温偏差，从而造 成蒸汽温度偏差，且随着机组容量的增大，烟温偏差也更加严重；四角布置燃烧 器要求炉膛近似为四方形。 表1 1“九五”攻关指标 ”1 t a b l ei - 1g o a l so ft h en i n t hf i v e - ye a rp l a n f l ：】 | 炉型燃烧效率低负荷稳燃 n o x r a g 1 1 3 。3 l褐煤炉 9 94 0 4 0 0 烟煤炉 9 84 0 4 0 0 1贫煤炉 9 65 0 6 5 0 l无烟煤炉 9 55 0 1 的贫燃料燃烧时，5 7 6 1 2 i 的燃料型n o 。是来自j - f 发分n 。而在口 l 的富燃料燃烧时由挥发分n 生成 的n o 。会大大地减少。因此，利用挥发分n 转化为n o 时对当地空气燃料比十 分敏感这一特点，在煤燃烧过程的定阶段和一定区域，设法建立a 1 的富燃 荆区，使燃料氮在其中尽可能地转化成挥发分n ，从而在还原性气氛的条件下促 使燃料氮转变为分子氮( n z ) 。根据这一原理，发展了空气分级、低过量空气系 数和烟气再循环等低n o 。燃烧投术。 对煤粉锅炉来说，煤粉燃烧器是锅炉燃烧系统中的关键设备，不但煤粉是通 过燃烧器送入炉膛，而且煤粉燃烧所需要的空气也是通过燃烧器进入炉膛的。煤 粉气流的着火过程、炉膛中的空气动力和燃烧工况，主要是通过燃烧器的结构及 其在炉膛上的布置来组织的。因此，从燃烧的角度看，燃烧器的性能对煤粉燃烧 设备的可靠性和经济性起着主要作用。另一方面，从n o 。的生成机理来看，占 n o 、绝大部分的燃料型n o 。是在煤粉的着火阶段生成的。因此，通过特殊设计 的燃烧器结构，以及通过改变燃烧器的风煤比例，可以将空气分级、燃料分级和 烟气再循环降低n o 。浓度的原理用于燃烧器，以尽可能地降低着火区氧的浓度， 适当降低着火区的温度，达到最大限度地抑制n o 。生成的目的。这就是低n o 。 燃烧器。因此，低n o 。燃烧器不仅要能保汪煤粉着火和燃烧的需要，而且要能 有效的抑制n o 。的生成。由于低n o 。燃烧器在着火阶段就能抑制n o 。的生成， 可以达到更低的n o 、排放值，因此低n o 。燃烧器得到了广泛的开发和应用【l ”。 7 上海变通大学硕士学位论文第一章绪论 12 41 氐n 0 x 燃烧器的靳发展 1 241 直流燃烧器 美国c e 公司自7 0 年代蚪来设计的煤粉燃烧器顶部均增设了两层燃尽风 ( p 尉) 喷口，将约占总风量1 【) 1 5 的二次风由此喷口送入炉膛，并将炉内 燃烧过程分为两个过程进行，称为分级燃烧技术。在d 脚下的主燃烧器区域， 田于a ( 1 而使空气供应量不足，燃烧速度减慢且出现还原性气氛，炉膛的温度 水平降低，使热力型和燃制型n o 。的生成量都减少。当烟气上升至o f a 喷口区 域时，燃尽风的送入使烟气中的可燃物和还原性气体进一步燃烧，以保证燃料的 燃尽。由于温度相对较低的大量燃尽风的送入和烟气的散热，此区域的烟温低于 主燃烧器区域，使n o 。的生成量减少。该燃烧器可使n o ；的排放量减少3 0 以 ：，使炉内最高温度降低约1 1 0 】6 6 。 但该燃烧器在用于5 0 0 m w 以上锅炉时，由于采用了六角或八角切圆燃烧， 使火焰中心温度升高，而主燃烧器区的还原性气氛会使灰的熔点降低1 0 0 1 2 0 ，因而在燃用低灰熔点煤时出现了结渣现象。为此，c e 公司又设计了采用低 温燃烧技术的分组布置的新型低n o ；燃烧器。该燃烧器在顶部仍为0 尉喷口， 将下部主燃烧器分为上下两组，并使两组燃烧器之间保持较大的间距，仍采用四 角切圆布置。对大容量锅炉，由于整组燃烧器的高度的增加，煤粉不是过于集中 地喷入炉膛，使火焰中心相对分散，其燃烧器区域的壁面热强度和容积热强度明 显低于多角切圆布置的锅炉，使炉内最高温度峰值明显地降低，这对防止结渣十 分有利，同时也保证了其降低n o 、排放量的性能。这种分组布置，并采用分级 燃烧技术的低n o 。燃烧器已成功地应用于燃用低灰熔点褐煤的大容量锅炉【1 。 124 2 旋流燃烧器 拔伯葛公司于1 9 7 1 年研制了双调风旋流煤粉燃烧器，其工作原理如图卜l 所示。该燃烧器中心为直流的一次风管，其外围为可调的内二次风和p b - 次风管， 内二次风管中设有轴向可动叶片，以改变内外二次风的比例和气流的旋流强度， 调节一二次风的混合。如燃用烟煤时，一次风量约占总风量的2 0 ，内二次风 量为2 0 2 5 ，其余作为外二次风送入炉膛。由于一次风和内二次风量较少， 燃烧器中心处于低氧燃烧状态，燃烧过程减慢且处于还原性气氛，火焰中心温度 上每变通太学砸士学位论文第一章绪论 佰对较低，热力型和燃料型n o 。生成量较低。而比例较大的外二次风从火焰周 围以较高的旋流强度送入，一方面可阻保证燃料燃尽，另方面在火焰周围形成 氧化气流，对防止结渣和高温腐蚀十分有利。实践证明，该燃烧器具有着火快、 燃烧稳定性好、燃尽率高和煤种适应性强的优点，可使n o 。排放量降低4 0 5 0 i “。 图卜1 暇调风燃烧器工作原理1 1 4 】 f i g1 - 1k e yd i a g r a mo f t h ed u a lc h a n n e ls w i r lb u r n e r i l 4 1 3 本课题的工作内容及意义 超低n o 。旋流燃烧器的设计关键是形成稳定的还原一】生气氛的火焰核，使煤 粉在其中驻留足够长的时间以减少挥发份的燃烧所产生的n o 。实现这设计思 想的措施主要是分级燃烧，为此发展了许多分级燃烧型的旋流燃烧器。分级型旋 流燃烧器的共同特征是：在燃烧器出口附近的点火区域形成一个富燃料区域，燃 烧所需的空气分级供给，推迟二次风的混入过程，使挥发份在富燃料贫氧的还原 性气氛中燃烧；径向上由内向外，燃烧气氛由还原性气氛逐步变化到氧化性气氛。 控制二次风与一次风的混合过程的基本方法是在燃烧器出口附近形成层流 化流动，减小径向上的混合，因此旋转射流的层流化引起了广泛的研究。流动的 层流化是相对于混合而言的概念：不同参数的流体相遇，如果混合强烈则很快形 成均匀的流动：相反，如果在一定的条件下，混合比较弱，则流体能够保持较长 上海交通大学硕士学位论文第一章绪论 时间的分层流动。 旋转射流的空气动力学特性是旋流燃烧器优化设计的基础。为发展新型高燃 烧稳定性、低n o 。排放的旋流燃烧器，电必须对旋转射流中的脉动混合特性进 行深入的研究。但由于旋转射流的动力学特性非常复杂，目前数值模拟尚不能对 强旋流给出满意的预报结果，在实际应用中还需要依赖试验研究的方法，为旋转 射流的理论研究提供必要的信息和数据。由于旋转射流流场存在中心回流区、高 减切区，所以旋流的测量对试验手段和试验方法提出了更高的要求。目前，湍流 流场参数的定量测量方法主要分为热线风速仪测量和激光测速仪两类。 对稳态流场的测量，热线风运仪是湍流测量试验中最普遍的测量仪器之一。 随着热线风速仪的响应频率的提高和热线探头尺寸的微型化，热线的时间和空间 分辨率都得到较大的改善，己较广泛地应用于测量平均流速、脉动速度咀及雷诺 应力、关联函数、湍流频谱等。 影响热线测量精度的因素主要有：支架的热传导，探针的安装角度，固体壁 面的影响流体温度的变化，大咏动的影响，污染和探针对流体的干扰。 激光测速的方法和原理育多种，如激光多普勒仪( 矿) ，相多普勒仪 ( 尸口剐) ，激光粒子图像仪( p i j ) 等。与热线风速仪相比，激光测速是非接触 测量，对流场无干扰，动态响应一融，测量精度高。但影响试验结果的因素是多方 面的，比如激光测速中存在示踩粒子的跟随性问题。 本课题基于上进的科研背景和工程应用背景，结合c c d 成像技术、图像处 理技术、分形理论，探索新的流场非接触测量技术，并将其应用到湍流燃烧的测 量中去，获得了不同旋流强度下煤气、煤粉的燃烧火焰图像和火焰锋面的信息， 以及相应的燃烧产物浓度信息，对火焰锋面的几何结构和空间位置作了定量上的 分析，从新的角度为湍流燃烧的研究提供了有意义的数据，同时也可为旋流燃烧 器的优化设计提供参考。 本文的工作主要按以下展开： 第一章从理论和实际应用角度论述了课题研究的背景和意义，对燃烧理论的 研究和发展动态作了简要的综述在比较和借鉴相关领域的研究工作的基础上提 出了本文的研究内容。 第二章主要集中在对试验系统吼及在后续章节中会使用到的相关理论及图 0 上；每文通太学硕士学位论文第一章绪论 像处理技术的介绍上，并简单说明了径向分层旋流燃烧器的改造过程和图像采集 与处理系统的调试和使用。 第三童对湍流气体扩散火焰锋丽的分形几何特性进行了研究。在c c d 摄像 机拍摄到的火焰图像中利用灰度等位线模拟火焰锋面，研究等值线的分形维数性 质以代替对火焰锋面的直接研究。分析中发现利用火焰锋面的分形维数可以较好 地反映火焰在燃烧器轴线方向上各个位置的混合情况。将同工况下各个时刻的 火焰图像经过图像处理提取出模拟的火焰锋面，计算其在轴线上各个位置的分 形维数，将它们叠加在同一幅图中，通过曲线拟和，得到了火焰锋面分形维数的 变化趋势。根据这一趋势可以得知关于一次风旋流强度和二次风旋流强度对火焰 锋面的影响，且与已有的结论基本一致。 第四章对湍流气体扩散火焰的流场进行了示踪粒子试验。示踪粒子采用煤 粉。利用示踪结果，分析了几个- r l i $ , i 下、二次风的混合情况，以及煤粉颗粒在 中的运动情况。此外还列一种( ( j 简易测速算法进行了验证。验证包括了对 粒子拖尾图像的几种典型情况的模j t j , ，并用图示的方法直观地展现算法的实现过 程。根据对上述典型情况模拟的缩果，总结出算法的适用条件，并就在实际情况 t 1 1 如何应用该算法作了一蝗建议。 第五章是全文总结。 作为国家自然科学基金项目 与国 家重点基础研究发展规划二员日子谋题 的一部分，感谢国家自然科学基金委员会和国家科技 部的经费支持。 上海交通大学硕士学位论文第二章试验设各、数据处理方法及分形理论简介 第二章试验设备、数据处理方法及分形理论简介 2 1 引言 燃烧科学基本上可以认为是一门试验科学，试验研究贯穿了整个燃烧理论 的发展和完善过程。对于在试验中观察到的许多现象，人们发展了各种理论来 加以解释；同时，理论成果又必须经过试验的验证，因此，试验在燃烧科学领 域具有极其重要的地位。 由于燃料种类繁多燃料特性各异，燃烧现象本身极其复杂，而且可能与 其相关联的试验条件十分恶劣，所以进行燃烧试验需要克服重重障碍。传统的 热工仪表对燃烧现象的几个要素( 如温度、压力、速度等) 的测量仅仅停留在 表现上，往往对燃烧过程本身还会产生干扰。 随着新技术的出现，燃烧测试技术有了长足的进步。基于声、光、电等高 科技检测技术的测试设备不断出现，如肋删、l d a 、p ，nl j f 及高速动态摄 影、辐射式温度计。通过这些新型检测仪器对燃烧试验现象的进步的测量和 考察，人们对燃烧本质的认识有了新的提高。 本文的主要研究对象是同轴径向分层旋流燃烧器的湍流火焰。研究的方法 主要依靠对火焰的可视化，包含图像采集与处理技术的应用、对各种燃烧条件 下的火焰进行细致的研究、利用分形理论对试验中提取出的燃烧特征进行分析 和总结。 2 2 试验系统 2 2 1 试验系统简图 如图2 一l 所示，c c d 摄像机安装在炉膛的侧面，拍摄火焰的侧面。摄像机 将拍摄到的火焰图像转变为视频信号送入图像采集板；图像采集板将其转变为 数字图像信息存入计算机；由计算机对采集到的数字图像进行后处理。在这个 上海交通大学硕士学位论文第二章试验设备、数据处理方法及分形理论简介 试验系统中，c c d 摄像机为台湾m i n t r o n 公司生产的6 3 1 0 p d 彩色摄像机，分 辨率为3 2 5 2 8 8 ：图像采集板为m 出o j g 甩= ：e 妒7 朋儿 c c dc a m e r av i d e os i g n a l 杉么夕夕黝叨刁高 。 墨 阻营 癸焉 邑 f u r n a c e b j 名 莒 吲。号 。 v a 2 22 燃烧器简图 圈2 - 试验系统简图 f i g2 - 1s k e t c ho f t h ee x p e r i n l e n ts y s l e m 图2 - 2 燃烧嚣投影的一半 f i g2 - 2h a l f o f t h e c a s ts h a d o wo f t h ec o m b u s t o r 燃烧器如图2 2 所示。该燃烧器设计为同轴径向分层旋流气体燃烧器。燃 料气体( 煤气) 沿燃烧器轴线方向由图中所示的煤气管道进入；一次风、二次 风分别有轴向和切向两种进风方式，其中切向进风用于使流动起旋。轴向进风 和切向进风的风量和为各次风的总风量( 即一次风的轴向风量和切向风量之和 等于一次风量，二次风同理) ，于是通过调节轴向风和切向风的比例可实现对旋 流强度的控制。在图2 2 中，煤气管道的另一端用堵头封闭。堵头左边附近的 上簿变通大学砬士学位论文 第二章试验设备、数据处理方法及分形理论简介 管壁周向上开有两排小7 l ( 即图中所示的煤气出口) ，管道中的煤气从这些小孔 沿径向喷出，与一次风( 此时次风的轴向和切向风已混合) 混合，所以在图 中所示的一次风出口处可看作是预混风。 对某一类工况，即给定理论空气量、过量空气系数、一次风率，可有两种 方式调节旋流强度：调节一次风中轴向与切向风量之比和调节二次风中轴向与 切向风量之比。 2 3 数字图像的处理方法 经过图像采集板的a o 转换，模拟的图像信号转变为数字图像信号。由 于摄像机系统的传输噪音及背景噪音的影响，在进行火焰形状结构参数量化之 前，还必须对火焰图像进行处理，有效的消除噪音，突出火焰的主体结构。完 成这些功能就必须借助于图像处理技术，因此有必要对数字图像处理技术进行 一个简要的介绍。 图像处理是通过计算机按照特定的目标对数字图像进行一系列特定的操作 来改造和分析图像的过程。图像处理特定的目标可以是使图像更清晰，更便于 分析；也可以是从图像中提取某些特定的信息f 】6 j f j 7 j 。 数字图像处理的优点主要在于，对图像的处理是通过运行处理程序来完成 的，所以能更灵活多变地实现各种处理，既可对图像作线性变换处理，也可以 作非线性变换处理，且处理精度高，再现性好；缺点主要是，处理速度较慢， 所需的数据存储空间大，处理的成本比较高。不过随着计算机技术的不断发展， 处理速度越来越快，存储器的容量越来越大，存储的速度也越来越高，使得数 字图像处理技术已经进入实用化阶段【4 】。 231 数字化 为能使图像能在计算机内进行处理，必须将图像数字化。通常，图像信号 是在时间上、空间上和幅值上都是连续的模拟信号。图像的数字化包括了将图 像在这三个方面进行离散。 1 4 上海交通大学硕士学位论文第二章试验设备、数据处理方法及分形理论简介 在本文中，火焰图像在c c d 摄像机的靶面上成像后就在空间上被离散成一 个个的象素，因为c 靶面是由分立的感光元件按一定的规则排列的，每一个 感光元件对应离散后图像中的一个象素。c c d 摄像机将所拍摄到的图像转变为 标准视频信号，并传送给图像采集卡。标准视频信号在时间和幅值上仍然是连 续的，还需要进一步离散。图像采集卡本身的采集速度决定了它所采集到的是 时间上离散的视频信号；而对于视频信号的幅值它只能用有限长字节表示，这 也就意味着幅值上的离散。这样，在时间上、空间上和幅值上连续的图像信号 经过图像采集板的处理后，变成了时间上、空间上和幅值上都为离散的信号。 2 32 数字图像处理的典型算法 基本的图像处理算法主要有四种：点处理、区处理、帧处理和几何处理。 点处理是一种最基本的图像处理操作，在所有图像处理操作中它是一种简单而 又有效的处理方法，既可以单独使用，也可以和其它算法组合使用。点处理算 法是指仅根据图像中象素的原值按定的规则来确定其新值的一种算法。也就 是说，单个象素的新值仅仅依赖于该象素原值的大小。由于象素原值与新值之 间算法上的这种联系，点处理算法一般是可逆的。点处理算法一般采用逐点扫 描图像象素的方式来完成象素的变换处理。点处理算法主要包括：图像亮度调 整，图像亮度反置，图像的二值化及图像对比度拉伸等【1 8 】1 1 9 l 。 区处理，也称组处理，是采用成组的象素，经过某种变换得到处理后图像 中某一点的象素值。区变换采用的象素组称为邻域，邻域一般是由象素组成的 二维矩阵。该矩阵每一维的大小均为奇数，中心象素位于邻域的正中间。变换 后，中心象素的值被经过一定算法计算得到的新值代替。邻域中心象素周围的 那些象素值在二维方向上提供了图像的亮度变化趋势信息，在大多数区域中要 用到这些信息。常用的区处理算法主要有：卷积、中值滤波及边缘检测等算法。 帧处理，是由两幅图像或多幅图像生成一幅新图像。新图像的生成不仅依 赖于每幅输入图像，而且依赖于将这些输入图像结合起来的合成函数的类型。 由于一幅完整的图像通常称为帧，所以这种处理称为帧处理。 几何处理，是根据几何变换改变一幅图像中象素的位置或排列。几何变换 并不改变象素值的大小，它只是改变象素所处的位置。也就是说，将给定象素 上海交通大学硕士学位论文第二章试验 殳备、数据处理方法及分形理论简介 值的象素移到图像的一个新位置上。常用的几何处理算法包括图像的缩放、旋 转、平移和镜像等。 下面对文中所涉及到的一些图像处理的算法作一简单介绍。 中值滤波。是一种典型的区处理算法，它根据邻域中各象素排序后的中位 象素( 即排序后位置处于正中的那个象素) 的值来确定中心象素的新值。经过 中值滤波后，图像中的随机噪声将被有敬的消除。这是因为邻域中亮度值发生 随机突变的象素经过排序后，不是排在队列的首位，就是排在队列的末位，而 中心象素的新值是取自队列中