基于光学诊断与图像处理技术的乙醇汽油扩散火焰研究

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/cm2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。

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