一种管道内气体爆炸火焰传播真实速度的获取方法与流程

本发明涉及燃烧爆炸防控技术领域，尤其是涉及一种管道内气体爆炸火焰传播真实速度的获取方法。

背景技术：

火焰传播速度是指火焰前锋沿其法线方向相对于未燃可燃混合气的推进速度，火焰传播速度表征了进行燃烧过程的火焰前锋在空间的移动速度，是研究火焰稳定性的重要数据之一。

目前，在开展气体/粉尘燃爆实验时，通常采用高速摄影仪对各可燃气体/粉尘爆炸火焰传播过程进行图像采集，在处理火焰传播图像数据时，通常使用自编写程序并结合canny算法进行火焰锋面特征信息的识别与提取。在提取爆炸传播火焰锋面位置参数后，根据爆炸容器视窗实际尺寸与图片中的大小比例关系、点火中心位置和火焰锋面对应的时刻等数据，求得气体/粉尘爆炸火焰传播的位置、速度等参数。然而，实际研究过程发现，按照上述方法求得的火焰传播速度值存在较大的误差。

鉴于此，特提出本发明。

技术实现要素：

本发明提供一种管道内气体爆炸火焰传播真实速度的获取方法，该方法能够有效消除现有方法的误差，从而获得管道内气体爆炸火焰传播的真实速度。

本发明提供的管道内气体爆炸火焰传播真实速度的获取方法，包括如下步骤：

步骤一：采用图像采集仪采集管道内气体爆炸火焰传播图像；

步骤二：对所述管道内气体爆炸火焰传播图像进行处理以提取火焰锋面位置信息；

步骤三：对所述火焰锋面位置信息进行修正，获得火焰锋面实际位置信息；

步骤四：根据所述火焰锋面实际位置信息获取管道内气体爆炸火焰传播真实速度。

在本发明的上述步骤一中，对用于采集仪采集管道内气体爆炸火焰传播图像的图像采集仪不作严格限制，可以采用本领域的常规仪器，例如高速摄影仪等。

在本发明的上述步骤二中，针对强光火焰，所述步骤二包括：调整所述管道内气体爆炸火焰传播图像的对比度，随后采用canny算子检测火焰边缘并提取火焰锋面位置信息。图3显示了一实施方式的强光火焰锋面位置信息提取示意图；针对强光火焰的上述方法为现有技术方法，强光火焰指的是能够采用上述方法提取火焰锋面位置信息的火焰。

本发明人研究发现，对于较弱的火焰锋面，主要存在于爆炸极限附近浓度，采用上述方法难以实现对火焰锋面特征信息的采集。鉴于此，本发明人特别提出了一种针对弱光火焰的火焰锋面位置信息提取方法；此处弱光火焰指的是采用上述方法无法提取火焰锋面位置信息的火焰。

具体地，针对弱光火焰，所述步骤二包括：对所述管道内气体爆炸火焰传播图像进行增强，随后进行二值化处理，再以canny算子检测火焰边缘并提取火焰锋面位置信息。图2显示了一实施方式的弱光火焰锋面位置信息提取示意图；由图2可见，上述方法能够有效提取弱光火焰锋面位置信息参数。

在本发明中，对管道内气体爆炸火焰传播图像的增强方式不作严格限制，可以采用本领域的常规方法，例如imcomplement算法、imreducehaze算法等。

本发明人经研究发现，现有方法求得的火焰传播速度值存在较大的误差，其原因在于图像采集仪采集火焰锋面图像的方式。具体地，图1为高速摄影仪-爆炸传播管道测试系统的俯视图，其中：d为管道内径，l为管道内视窗长度，s为图像采集仪距管道轴向中心剖面垂直距离。在图像采集仪采集火焰锋面图像过程中，由于镜头的采集方式，致使其在火焰锋面通过图像采集仪之前和之后所采集到的火焰传播图像中火焰锋面位置显示分别为l1和l2，而此时其实际位置则为p1和p2，火焰锋面-图像采集仪镜头连线与爆炸管道侧面视窗的夹角分别为α1和α2。由此产生的偏差为：在火焰锋面通过图像采集仪镜头前时，图像采集仪所记录的火焰锋面位置l1大于实际位置p1，由这一数据所得的火焰传播速度比真实速度偏大；而在火焰锋面通过图像采集仪镜头后，其所记录的火焰锋面位置l2小于实际位置p2，由该数据所求的火焰传播速度比其真实速度偏小。

鉴于以上问题，本发明的方法对火焰锋面位置信息进行修正，从而获得的是火焰锋面实际位置信息，利用该火焰锋面实际位置信息能够获取得到管道内气体爆炸火焰传播的真实速度。

具体地，在火焰锋面通过高速摄影仪镜头前时，高速摄影仪所记录的火焰锋面位置l1和实际位置p1之间的差值△l可由以下方式求得：

tan(α1)＝0.5d/vl＝(s-0.5d)/(0.5l-l1)

则：

由此，

即，在这一阶段火焰锋面的实际位置pi与高速摄影仪记录的位置li之间呈以下关系：

也就是说，本发明的步骤三中，在火焰锋面通过图像采集仪之前，采用如下公式对火焰锋面位置信息进行修正：

其中：pi为火焰锋面-实际位置，li为图像采集仪记录位置，d为管道内径，l为管道内视窗长度，s为图像采集仪距管道轴向中心剖面垂直距离。

火焰锋面通过高速摄影仪镜头之后，高速摄影仪所记录的火焰锋面位置l2和实际位置p2之间的差值△l’可由以下方式求得：

tan(180-α2)＝0.5d/vl＝(s-0.5d)/(l2-0.5l)

则：

由此，

即，在这一阶段火焰锋面的实际位置pi与高速摄影仪记录的位置li之间呈以下关系：

也就是说，在本发明的步骤三中，在火焰锋面通过图像采集仪之后，采用如下公式对火焰锋面位置信息进行修正：

其中：pi为火焰锋面-实际位置，li为图像采集仪记录位置，d为管道内径，l为管道内视窗长度，s为图像采集仪距管道轴向中心剖面垂直距离。

本发明对图像采集仪的具体放置位置不作严格限制，在采集管道内气体爆炸火焰传播图像时，例如可以将图像采集仪放置在管道内视窗长度的中间位置上。

此时，步骤三中，采用如下公式对火焰锋面位置信息进行修正：

其中：pi为火焰锋面-实际位置，li为图像采集仪记录位置，d为管道内径，l为管道内视窗长度，s为图像采集仪距管道轴向中心剖面垂直距离。

提取爆炸传播火焰锋面位置参数后，根据爆炸容器视窗实际尺寸与图片中的大小比例关系、点火中心位置和火焰锋面对应的时刻等数据，进而求得气体/粉尘爆炸火焰传播的位置、速度等参数，如表1所示。

表1现有火焰传播速度计算方法

在本发明中，步骤四包括：根据所述火焰锋面实际位置信息制作爆炸火焰传播时间-火焰锋面实际位置曲线，对其进行一阶求导，获得管道内气体爆炸火焰传播真实速度。

表2本发明管道内火焰真实传播速度的计算方法

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明的方法能够对现有方法的火焰锋面位置信息进行修正，从而获得的是火焰锋面实际位置信息，利用该火焰锋面实际位置信息能够获取得到管道内气体爆炸火焰传播的真实速度；

2、本发明的方法通过对管道内气体爆炸火焰传播图像进行增强、二值化处理，再以canny算子检测火焰边缘并提取火焰锋面位置信息，从而能够有效提取弱光火焰锋面位置信息参数。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为高速摄影仪-爆炸传播管道测试系统的俯视图；

图2为一实施方式的弱光火焰锋面位置信息提取示意图；其中：a为原图，b为增强处理结果，c为二值化处理结果，d为火焰锋面边缘提取结果；

图3为一实施方式的强光火焰锋面位置信息提取示意图；其中：a为原图，b为火焰锋面边缘提取结果。

附图标记说明：1：高速摄影仪。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例提供一种管道内气体爆炸火焰传播真实速度的获取方法，包括如下步骤：

步骤一：采集管道内气体爆炸火焰传播图像

具体地，采用高速摄影仪对水平管道内各可燃气体爆炸火焰传播过程进行图像采集，其中高速摄影仪放置在管道内视窗长度的中间位置上，获得管道内气体爆炸火焰传播图像。

步骤二：提取火焰锋面位置信息

具体地，首先采用针对强光火焰的提取方法，即：在调整管道内气体爆炸火焰传播图像的对比度后，采用canny算子检测火焰边缘并提取火焰锋面位置信息。

采用上述针对强光火焰的提取方法进行提取，结果发现无法提取火焰锋面位置信息，进而采用下述针对弱光火焰的提取方法。

即：先采用imcomplement算法对管道内气体爆炸火焰传播图像进行增强，随后进行二值化处理，再以canny算子检测火焰边缘并提取火焰锋面位置信息。

步骤三：对火焰锋面位置信息进行修正

具体地，采用如下公式对火焰锋面位置信息进行修正：

参见图1，pi为火焰锋面-实际位置，li为图像采集仪记录位置，d为管道内径，l为管道内视窗长度，s为图像采集仪距管道轴向中心剖面垂直距离。

根据上述公式修正后，即获得火焰锋面实际位置信息。

步骤四：获取管道内气体爆炸火焰传播真实速度

具体地，根据火焰锋面实际位置信息制作爆炸火焰传播时间-火焰锋面实际位置曲线，对其进行一阶求导，获得管道内气体爆炸火焰传播真实速度，结果见表3。

表3实施例1管道内火焰真实传播速度的计算结果(li＜0.5l)

实施例2

本实施例提供一种管道内气体爆炸火焰传播真实速度的获取方法，包括如下步骤：

步骤一：采集管道内气体爆炸火焰传播图像

具体地，采用高速摄影仪对水平管道内各可燃气体爆炸火焰传播过程进行图像采集，其中高速摄影仪放置在管道内视窗长度的中间位置上，获得管道内气体爆炸火焰传播图像。

步骤二：提取火焰锋面位置信息

具体地，采用针对强光火焰的提取方法，即：在调整管道内气体爆炸火焰传播图像的对比度后，采用canny算子检测火焰边缘并提取火焰锋面位置信息。

步骤三：对火焰锋面位置信息进行修正

具体地，采用如下公式对火焰锋面位置信息进行修正：

参见图1，pi为火焰锋面-实际位置，li为图像采集仪记录位置，d为管道内径，l为管道内视窗长度，s为图像采集仪距管道轴向中心剖面垂直距离。

根据上述公式修正后，即获得火焰锋面实际位置信息。

步骤四：获取管道内气体爆炸火焰传播真实速度

具体地，根据火焰锋面实际位置信息制作爆炸火焰传播时间-火焰锋面实际位置曲线，对其进行一阶求导，获得管道内气体爆炸火焰传播真实速度，结果见表4。

表4实施例2管道内火焰真实传播速度的计算结果(li＞0.5l)

对比例1

除不对火焰锋面位置信息进行修正，而直接根据未修正的火焰锋面位置信息获取管道内气体爆炸火焰传播速度之外，其余与实施例1相同；管道内火焰传播速度的计算结果见表5。

表5对比例1管道内火焰传播速度的计算结果

对比例2

除不对火焰锋面位置信息进行修正，而直接根据未修正的火焰锋面位置信息获取管道内气体爆炸火焰传播速度之外，其余与实施例2相同；管道内火焰传播速度的计算结果见表6。

表6对比例2管道内火焰传播速度的计算结果

上述结果表明：

本发明的方法通过对火焰锋面位置信息进行修正，能够获得火焰锋面实际位置信息，利用该火焰锋面实际位置信息能够获取得到管道内气体爆炸火焰传播的真实速度。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。