基于图像处理的燃烧室燃烧不稳定试验测量方法

摘要

本发明公开了一种基于图像处理的燃烧室燃烧不稳定试验测量装置及方法，包括燃烧室、高频压力传感器或麦克风、采集卡、电荷放大器、计算机、高速摄影仪，高频压力传感器或麦克风实时测量燃烧室内压力脉动信号，采集卡采集测量到的燃烧室内压力脉动信号，电荷放大器对压力脉动信号进行放大并传输至计算机中，高速摄影仪或其他高速CCD相机对燃烧室中火焰变化过程进行高频拍摄。利用基于图像处理的燃烧不稳定试验测量方法，可以对燃烧室中发生的燃烧不稳定问题进行试验测量，初步获得其燃烧不稳定产生原因，从而采用主动或被动抑制方法解决燃烧室中发生的燃烧不稳定问题。

说明书

技术领域

本发明属于燃气轮机和航空发动机领域，涉及一种基于图像处理的燃烧室燃烧不稳定试验测量方法。

背景技术

为了降低燃烧污染物排放,目前无论是民机航空发动机燃烧室,还是地面燃气轮机燃烧室,燃烧室设计均普遍采用贫油预混预蒸发燃烧技术。在贫油预混预蒸发低污染燃烧室设计中，最容易遇到的问题是燃烧不稳定。同时在航空发动机加力燃烧室以及火箭发动机燃烧室中，也容易发生燃烧不稳定问题。当燃烧室发生燃烧不稳定时，强大的压力脉动可能导致燃烧室乃至整个发动机振动加剧，发出巨大的燃烧噪声，热负荷增高，从而影响发动机的性能，严重时使发动机部件遭到破坏和烧灼，同时也加剧污染物的产生。

为了研究燃烧室中燃烧不稳定的产生机理，目前国内外普遍采用的研究方法是：用高频压力传感器测量其压力，获得其主频；在一个脉动周期内，在相同的相位条件下，同时用平面激光诱导荧光(PLIF)测量其瞬态释热率，用粒子图像测速仪(PIV)测量其瞬态流场涡结构，从而建立起脉动周期内不同相位时压力脉动、流场涡结构与燃烧释热率之间的关系，从而揭示其燃烧不稳定机理。但该试验测量方法最大的困难有以下几点：1)燃烧不稳定的主频一般比较大，几百赫兹，而要解释其燃烧不稳定机理，则需在一个脉动周期内至少测量10个以上的相位，才能解释一个脉动周期内燃烧释热率和瞬态流场涡结构之间的联系，因此平面激光诱导荧光(PLIF)和粒子图像测速仪(PIV)等测试设备的响应频率至少要达到1000HZ以上，所以对测量设备要求高，而目前国内PLIF的响应频率一般在几十赫兹，因此无法满足目前测量需求；2)需要在同一相位下同时测量瞬态释热率和流场涡结构，需要对平面激光诱导荧光和粒子图像测速仪进行相位同步，在实际试验测量中相位同步非常困难。因此上述研究方法在研究燃烧不稳定机理过程中有一定的局限性，本项目提出了一种新颖的燃烧不稳定试验测量方法，方便测量，设备简单。

发明内容

发明目的：本发明为了对目前燃烧室中容易发生的燃烧不稳定现象进行机理研究，提出了一套基于图像处理的燃烧不稳定试验测量方法，利用该测量方法，可以对燃烧室中发生的燃烧不稳定过程进行试验研究。

技术方案：本发明提供了一种基于图像处理的燃烧室燃烧不稳定试验测量装置，包括燃烧室、高频压力传感器或麦克风、采集卡、电荷放大器、计算机、高速摄影仪或其他高速CCD相机，所述高频压力传感器或麦克风实时测量燃烧室内压力脉动信号，所述采集卡采集测量到的燃烧室内压力脉动信号，所述电荷放大器对压力脉动信号进行放大并传输至计算机中，所述高速摄影仪或其他高速CCD相机对燃烧室中火焰变化过程进行高频拍摄。

一种基于图像处理的燃烧室燃烧不稳定试验测量方法，包括以下步骤：

步骤一，采用高频压力传感器或麦克风等设备实时测量燃烧室内压力脉动信号；

步骤二，通过快速傅里叶数学变换，把压力脉动信号转化为频谱信号，并比对该燃烧室的数据库，从而得到该燃烧室中由燃烧不稳定导致的主频及幅值；

步骤三，采用高速摄影仪或其他高速CCD相机与某特定波长的滤光片相结合方法对燃烧室中发生燃烧不稳定时的火焰自由基变化过程进行高频拍摄，获得其不同时刻下燃烧火焰中某特定波长的自由基，N帧动态变化视频；

步骤四，编制基于快速傅立叶变换的图像处理软件；

步骤五，利用上述图像处理软件，对不同时刻下的N帧火焰自由基照片进行傅里叶变换批处理，获得图片中每一个像素坐标处沿拍摄频率或时间轴的幅频图和相频图；并进行上述过程的逆过程，即进行图像的重构，则得到不同时刻下燃烧自由基的幅值和相位动态变化云图；

步骤六，同时利用步骤二中获得的燃烧不稳定下压力脉动频谱与步骤五中获得的不同时刻下燃烧自由基幅值和相位动态变化云图信息进行对比分析，分析其燃烧不稳定产生原因。

进一步的，特定波长范围为100纳米～1000纳米。

进一步的，特定波长为309纳米，该波长的自由基为羟基。

有益效果：

高速摄影仪或其他高速CCD相机具有高频高速的特点，拍摄速度最快可达10万赫兹以上，PLIF目前拍摄频率只有几十赫兹，而燃烧不稳定频率达到几百上千赫兹，因此采用该测试技术可以解决由于测试设备的拍摄频率不能满足测试所需求频率之间的矛盾问题；基于图像处理的燃烧不稳定试验测量方法可以同时得到燃烧不稳定时释热率幅值即强度和相位的动态变化过程，并解释其燃烧不稳定产生原因，因此可以避免PIV测量和PLIF高频测量时的高频相位同步问题。

利用基于图像处理的燃烧不稳定试验测量方法，可以对燃烧室中发生的燃烧不稳定问题进行试验测量，初步获得其燃烧不稳定产生原因，从而采用主动或被动抑制方法解决燃烧室中发生的燃烧不稳定问题。

附图说明

图1为燃烧不稳定试验测量系统示意图；

图2为火焰自由基结构动态图；

图3为灰度图像-灰度值转换图，其中(a)为图像灰度，(b)为图像灰度转换数字图；

图4为数字图像数学模型；

图5为图像处理示意图；

图6为某一像素灰度－时间信号图；

图7为某一时刻自由基幅值云图；

图8为某一时刻自由基相位云图；

图9为燃烧不稳定机理分析图，其中(a)为压力脉动图，(b)为火焰自由基幅值云图，(c)为火焰自由基相位云图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

本发明的燃烧室燃烧不稳定试验测量系统示意图如图1所示。采用高速摄影仪或其他高速CCD相机6与某一特定波长的滤波片来测量燃烧室1不稳定燃烧过程中不同时刻下的火焰自由基图的动态变化过程。由于高速摄影仪拍摄频率可达10万赫兹，因此可以很好的捕捉到不同脉动频率下的燃烧不稳定动态变化过程；同时根据试验测量所关心的不同自由基，选用不同波长下的滤波片，比如关心的是羟基来表针燃烧释热率，则选用羟基波长的滤波片，即只让羟基波长能通过，而非该波长的其他所有波长则不允许通过。同时采用高频压力传感器或麦克风2等设备来采集燃烧室中燃烧不稳定下的压力脉动，经快速傅立叶变换后，获得其压力脉动频谱，并与该燃烧室的数据库进行对比分析，获得由燃烧不稳定而引起的脉动主频及其幅值。

高速摄影机与滤波片相结合拍摄的火焰自由基视频文件是由一幅幅尺寸相同的连续照片组成的，进行分帧处理，就可以得到不同拍摄时刻的单幅照片，每幅图像是沿着时间轴或拍摄频率均匀采集的，时间间隔Δt＝1/拍摄频率s，图2所示；而在数字图像领域，可以将每幅图像看成是许多大小相同、形状一致的像素组成，每个像素点对应不同的灰度值来反应火焰自由基图像的亮度信息，如图3所示。对于视频文件中的每一幅图像可以用二维矩阵表示，数字矩阵中的数值表示该像素色彩或者灰度值，用Z(x，y)表示，x表示行，y表示列，如图4所示。将每张图片的每一个像素点看成一个坐标，像素点处的灰度值看成该坐标处的值，则所拍摄的视频文件为N张连续图像，拍摄频率作为时间轴，在相同坐标处的灰度值，图5所示，可以构成一个2维灰度-时间信号，如图6所示，采样频率为高速摄影仪的拍摄频率，对这个2维信号进行快速傅里叶变换，则可以得到每一个像素坐标处的幅频图和相频图。选取任意一个坐标(x,y)处得到的幅频图，在频率轴向选取某一频率f，便可知道该频率下的幅值Z(x,y,f)，如图5所示，将这个幅值放入该坐标点处，比如对于848×704个像素坐标，便可以得到848×704张幅频图的幅值Z，组成一个848×704的灰度值矩阵；再进行上述图像处理过程的逆过程，即进行图像重构，便可以得到该频率f处的幅值云图图像，如图7所示中的自由基幅值云图。

相频图采用幅频图相类似的处理方法，选取任意一个坐标(x,y)处得到的相频图，在频率轴向选取某一频率f，便可知道该频率下的相位值Z(x,y,f)，如图5所示，将这个相位值放入该坐标点处，比如对于848×704个像素坐标，便可以得到848×704张相位图的幅值Z，组成一个848×704的灰度值矩阵；再进行上述图像处理过程的逆过程，即进行图像重构，则可以得到该频率f处的自由基相位云图图像，如图8所示。

把不同频率(时刻)下的幅值云图和相位云图进行动态处理，则可以得到自由基的幅值云图和相位云图动态变化过程。由于自由基幅值云图中的数值大小表明该处释热率的大小，而相位云图可以表示燃烧不稳定的产生原因，比如进口旋流的脉动、进口空气流量的脉动等。因此把压力脉动频谱，图9(a)所示、火焰自由基幅值动态云图，图9(b)所示，以及火焰自由基相位动态云图，图9(c)所示，三者有机结合起来，则可以解释该燃烧室燃烧不稳定产生的原因。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。