基于弹道光成像的液体燃料喷雾区域判别与瞬态蒸发量的计算方法

1.本发明涉及燃料喷雾过程中瞬态蒸发过程的测量技术领域，尤其是一种涉及通过弹道光成像判断液体燃料瞬态喷雾过程的判别计算方法。


背景技术：

2.我国机动车的动力主要依靠内燃机，消耗了大量了化石燃料，2019年中国石油对外依存度上升到了70％。柴油机会排放大量no
x
、颗粒等排放物，对环境与人体健康造成极大的危害。这些污染物可以通过改善喷雾燃烧进行控制，进而为缓解能源危机和环境问题做出贡献。不同组分燃料的燃烧也不相同，因此有必要对燃料的喷雾过程开展研究，针对燃料喷雾的瞬时蒸发量的计算有助于评价混合气的形成效果。
3.此前多用高速显微摄影法对喷雾近场区域进行观测，但是随着内燃机高增压、高喷射压力等技术的应用，内燃机缸内压力和温度不断升高。碳氢燃料喷入气缸的环境压力、温度等已超出了大部分烃类燃料以及环境气体的临界压力与温度，燃料达到超临界态。因此常规的光学测量方法无法获取喷雾的液核有效信息。弹道光成像可以通过空间过滤、时间选通等方法获取实际喷雾近场区域的液核信息。
4.对比已有技术，本发明不需要设置温度和压力传感器，也不需要获得液滴速度，除了可以得到喷雾锥角、贯穿距等常规参数外，还能够简便准确地得到喷雾液柱和液滴区域的状态，以及喷雾液柱区的质量、喷雾液滴区的质量和喷雾的瞬时蒸发量。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的不足，本发明提出了一种基于弹道光成像的液体燃料喷雾区域判别方法与瞬态蒸发量的计算方法，通过弹道光成像装置拍摄燃料喷雾图像，按照发明所提出的判别方法对喷雾区域进行判别，按照发明所提出的计算方法对喷雾瞬时蒸发量进行计算，从而计算出喷雾过程中的瞬时蒸发量。
6.本发明的技术方案为：一种基于弹道光成像的液体燃料喷雾区域的判别与瞬态蒸发量的计算方法，包括以下步骤：
7.步骤1：使用弹道光成像装置获取液体燃料的喷雾图像；步骤2：使用灰度函数处理法和曲率寻优法将拍摄得到的喷雾图像划分为液柱区和液滴区域；步骤3：基于区域划分完毕的喷雾图像进行瞬态蒸发量的计算。
8.进一步，所述步骤2的具体过程为：
9.步骤2.1：使用弹道光成像装置获得喷雾场成像图片，记为t；
10.步骤2.2：对图像t进行预处理；所述对图像t进行预处理，采用matlab工具箱中的剪切算法将无效黑色边框去除；采用最大值法对图像t进行灰度化处理，选取rgb图像中三分量亮度的最大值作为灰度值；进一步地采用高斯滤波法去除图像噪声，处理后的图像记为t1；
11.步骤2.3：进一步地设定阈值，对图像进行二值化处理；灰度值大于阈值的像素点视为干扰元素，将其删除；灰度值为0的区域视为氛围气，将其删除，处理后的图像记为t2；
12.步骤2.4：计算图像t2的灰度函数i＝f(x,y)，其中x和y分别是图像的横纵坐标，i则是图像坐标为(x,y)处的灰度值；
13.步骤2.5：基于步骤4获取图像t2各个像素点的灰度值，构成灰度矩阵；使用轮廓分析算法，在图像t2中筛选液柱区的轮廓线；所述轮廓分析算法为自液柱区的轴线向两边的灰度矩阵进行液柱轮廓特征判别，将灰度值发生陡降的区域初步划分为液柱或液滴的轮廓线；
14.步骤2.6：基于步骤5初步划分的液柱或液滴的轮廓线，使用曲率寻优法进行进一步地精确划分；所述曲率寻优法为在初步划分的轮廓线两侧用边长为e毫米的正方形栅格进行寻优；所述e＝10d0；所述d0为基于经验假设的液滴粒径初始值；
15.步骤2.7：进一步地将液柱或液滴的轮廓线用j个边长为e毫米的正方形栅格进行分割，并计算这j个正方形栅格内各个的图形的曲率半径；
16.步骤2.8：计算第j(j＝1,2,3
…
j)个栅格内各个图形的曲率半径时，需先计算第j个栅格附近图形的平均曲率半径；
17.步骤2.9：所述第j个栅格附近图形的平均曲率半径计算步骤如下：在以第j个栅格为圆心，5e为半径的半圆内随机选10个边长为e毫米的正方形单元；计算这10个单元内的液滴的平均曲率半径(为了减小误差重复计算12次)；进一步计算这120个单元的曲率半径的平均值和标准差s，则标准误差设显著性水平α设为0.05，查正太分布z值表可知标准分z＝1.96；则置信区间为
18.步骤2.10：计算第j(j＝1,2,3
…
j)个栅格内各个图形的曲率半径
19.步骤2.11：将步骤10中的j个栅格中曲率半径大于的图形标记；进一步地将所有标记的图形连接，记为液柱区的轮廓线；
20.步骤2.12：至此液滴区轮廓线划分完毕，轮廓线内区域为液柱区，记为l；轮廓线以外的区域为液滴区，记为k。
21.进一步，步骤2.10中：
22.当栅格中各个图形的曲率半径均小于时，则认为此时栅格所在位置是液滴区；
23.当栅格中存在图形的曲率半径大于时，则认为此时栅格所在位置为液柱区；
24.进一步，所述步骤3的具体过程为：
25.步骤3.1：基于喷油规律计算瞬时喷出的燃油质量m0；
26.步骤3.2：计算喷柱区域的液相质量；将喷嘴处记为a，分界线处记为b，喷雾末端记为c；喷柱区液相燃料的质量记为m1；喷嘴处的燃料温度接近常温，液柱区的燃料的温度接近氛围气的温度，则喷嘴处液相燃料的密度记为ρ1，液柱区末端密度记为ρ2，则对液柱的总
体密度加权处理后为ρ＝2/3ρ1+ρ2；液滴区的燃料密度即为在氛围气温度下燃料的密度；通过matlab程序将喷柱区的喷雾轮廓线拟合为f(x)，则
27.步骤3.3：对液滴区进行栅格划分，将液滴区分为m个边长为e毫米的子区，采用mi表示第i个子区，ni表示第i个子区中的液滴数，di表示第i个子区中液滴的平均直径(i＝1
…
m)；
28.液滴区m个子区的平均液滴数
29.液滴区m个子区的液滴体积平均直径为
30.步骤3.4：通过重力加速度与表面张力间的关系将液滴体积平均直径转化为液滴的体积vm，
31.其中α,p为常数，γ为表面张力；
32.步骤3.5：通过matlab程序将液滴区的喷雾轮廓线拟合为g(x)；一个栅格立方体的体积为e3；进一步地液滴区栅格数量为
33.步骤3.6：液滴区液相质量为m2＝ρnηvm；
34.步骤3.7：液体燃料的瞬态蒸发量me＝m
0-m
1-m2。
35.进一步，弹道光成像装置包括：飞秒激光器、分束器、倍频器、带通滤镜1、反射镜1、定容弹、反射镜2、透镜1、偏光器1、二向色镜、光克尔介质、带通滤镜2、偏光器2、透镜2、高速摄像机；
36.所述弹道光成像装置的光路传播为飞秒激光器，输出激光脉冲，经频率放大器后所述分束器将激光脉冲分为开关光束和成像光束；所述两种光束的比例为7:3；所述成像光束经过倍频器后转变为400nm；所述倍频器为偏硼酸钡晶体；所述成像光束经过带通滤镜1过滤后经由反射镜1穿过定容燃烧弹获取喷雾场信息；所述定容弹的腔体四周各有一个椭圆形石英玻璃视窗；所述成像光束获取喷雾场信息后经由反射镜2穿过透镜1、偏光器1和二向色镜后与开关光束在光克尔介质中汇合；所述透镜1起到空间过滤作用；所述偏光器1起到极性过滤作用；所述光克尔介质内装有cs2液体；所述cs2液体在没有开关光束通过时为各向同性的透明液体；所述cs2液体在有开关光束通过时，cs2分子的偶极矩在激光脉冲强烈的电磁场作用下沿着开关光束的极性方向排布，使cs2液体产生克尔效应，扭转成像光束的极性；利用光克尔效应，可以将弹道光子从成像光束中分离；所述成像光束通过带通滤镜2、偏光器2和透镜2后照射到高速摄像机上。
37.进一步，飞秒激光器输出波长为800nm、脉宽为100fs、单脉冲能量为4mj、频率为1000hz的激光脉冲。
38.进一步，所述高速摄像机的有效像素为1024
×
1024，相机快门时间为100us，采集时刻为1msasoi。
39.本发明的有益效果是：
40.对比已有技术，本发明不需要设置温度和压力传感器，也不需要获得液滴速度，除了可以得到喷雾锥角、贯穿距等常规参数外，还能够简便准确地得到喷雾液柱和液滴区域
的状态，以及喷雾的瞬时蒸发量。
附图说明
41.图1为弹道光成像装置
42.图2为喷雾区域的划分示意图
43.图3为喷雾区域判别流程图
44.图4为瞬态蒸发量的计算流程图
具体实施方式
45.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
46.本发明的判别方法与计算方法均基于弹道光成像装置，所谓弹道光成像就是利用光克尔效应将获取弹道光子来成像；弹道光子是未经散射且保持原有传播方向的光子，包含了液核的信息；可以获得喷雾的清晰图像；
47.如图1，弹道光成像装置主要包括飞秒激光器、频率放大器、分束器、倍频器、带通滤镜1、带通滤镜2、定容弹、透镜1、透镜2、偏光器1、偏光器2、二向色镜、光克尔介质、高速摄像机；
48.定容弹通过外部空气压缩机提高稳定流动的高压空气；高压空气经过电热丝加热后垂直流过定容弹内部；所述定容弹内部的压力有高压空气构成，最高可达9mpa；所述定容弹内部的温度最高可达到900k；定容弹的腔体四周各有一个椭圆形石英玻璃视窗；透镜对光束起到空间过滤作用；偏光器对光束起到极性过滤作用；高速摄像机的有效像素为1024
×
1024，快门时间为100us，采集时刻为1msasoi；
49.弹道光成像装置的光路传播为飞秒激光器输出波长为800nm、脉宽为100fs、单脉冲能量为4mj、频率为1000hz的激光脉冲；分束器将激光脉冲分为开关光束和成像光束，所述两种光束的比例为7:3；成像光束经过倍频器后转变为400nm；所述倍频器为偏硼酸钡晶体；成像光束经过倍频后穿过定容燃烧弹与所述开关光束在光克尔介质内汇合；光克尔介质内装有cs2液体；cs2液体在没有开关光束通过时为各向同性的透明液体；cs2液体在有开关光束通过时，cs2分子的偶极矩在激光脉冲强烈的电磁场作用下沿着开关光束的极性方向排布，使cs2液体产生克尔效应，扭转成像光束的极性；光克尔效应，可以将弹道光子从成像光束中分离；成像光束通过透镜2后直接照射到高速摄像机上；
50.如图2-4，在获取喷雾图像后需要先对液体燃喷雾区域进行判别，将喷雾划分液柱区域液滴区，喷雾区域判别方法如下：
51.步骤1：使用弹道光成像装置获得喷雾场成像图片，记为t；
52.步骤2：对图像t进行预处理；所述对图像t进行预处理，采用matlab工具箱中的剪切算法将无效黑色边框去除；采用最大值法对图像t进行灰度化处理，选取rgb图像中三分量亮度的最大值作为灰度值；进一步地采用高斯滤波法去除图像噪声，处理后的图像记为t1；
53.步骤3：进一步地设定阈值，对图像进行二值化处理，将灰度值大于阈值的像素点视为干扰元素，将其删除，将灰度值为0的像素点视为氛围气，将其删除；处理后的图像记为
t2；
54.步骤4：计算图像t2的灰度函数i＝f(x,y)，其中x和y分别是图像的横纵坐标，i则是图像坐标为(x,y)处的灰度值；
55.步骤5：基于步骤4获取图像t2各个像素点的灰度值，构成灰度矩阵；使用轮廓分析算法，在图像t2中筛选液柱区的轮廓线；所述轮廓分析算法为自柱区的轴线向两边的灰度矩阵进行液柱轮廓特征判别；所述液柱轮廓特征判别为将灰度值发生陡降的区域初步划分为液柱或液滴的轮廓线；
56.步骤6：基于步骤5初步划分的液柱或液滴的轮廓线，使用曲率寻优法进行进一步地精确划分；所述曲率寻优法为在初步划分的轮廓线两侧用边长为e毫米的正方形栅格进行寻优；所述e＝10d0；所述d0为基于经验假设的液滴粒径初始值；以柴油为例，柴油喷雾的液滴粒径初始值范围为80-120μm，在本实施案例中选择d0＝100μm。
57.步骤7：进一步地将液柱或液滴的轮廓线用j个边长为e毫米的正方形栅格进行分割，并计算这j个正方形栅格内各个的图形的曲率半径；
58.步骤8：计算第j(j＝1,2,3
…
j)个栅格内各个图形的曲率半径时，需先计算第j个栅格附近图形的平均曲率半径；
59.步骤9：所述第j个栅格附近图形的平均曲率半径计算步骤如下：在以第j个栅格为圆心，5e为半径的半圆内随机选10个边长为e毫米的正方形单元；计算这10个单元内的液滴的平均曲率半径(为了减小误差重复计算12次)；进一步计算这120个单元的曲率半径的平均值和标准差s，则标准误差设显著性水平α设为0.05，查表可知标准分z＝1.96；则置信区间为1.96；则置信区间为
60.步骤10：计算第j(j＝1,2,3
…
j)个栅格内各个图形的曲率半径当栅格中各个图形的曲率半径均小于时，则认为此时栅格所在位置是液滴区；当栅格中存在图形的曲率半径大于时，则认为此时栅格所在位置为液柱区；
61.步骤11：将步骤7中的j个栅格中曲率半径大于的图形标记；进一步地将所有标记的图形连接，记为液柱区的轮廓线；
62.步骤12：至此液滴区轮廓线划分完毕，轮廓线内区域为液柱区，记为l；轮廓线以外的区域为液滴区，记为k；
63.在喷雾区域判别之后，应用本发明的液体燃料喷雾瞬态蒸发量量的计算方法可以算出不同时刻液体燃料喷雾的瞬态蒸发量；主要包括喷油质量计算和液相质量计算；喷油质量与液相质量的差值即为瞬态蒸发量；
64.步骤13：喷油质量计算，是基于喷油规律计算瞬时喷出的燃油质量，记为m0；
65.步骤14：液相质量计算包括液柱区的液相质量和液滴区的液相质量；液柱区l的液相质量计算方法为以喷嘴中心为轴线，将液柱区l绕轴线旋转得到旋转体；将喷嘴处记为a，分界线处记为b，喷雾末端记为c；
66.喷柱区液相燃料的质量记为m1；喷嘴处的燃料温度接近常温，液柱区的燃料的温
度接近氛围气的温度，则喷嘴处液相燃料的密度记为ρ1，液柱区末端密度记为ρ2，则对液柱的总体密度加权处理后为ρ＝2/3ρ1+ρ2；液滴区的燃料密度即为在氛围气温度下燃料的密度，ρ2；通过matlab程序将喷柱区的喷雾轮廓线拟合为f(x)，则
67.步骤15：液滴区k液相质量计算方法为，将液滴区k绕轴线旋转得到旋转体；进一步地对液滴区进行栅格划分，将液滴区分为m个边长为e毫米的子区，采用mi表示第i个子区，ni表示第i个子区中的液滴数，di表示第i个子区中液滴的平均直径(i＝1
…
m)；进一步地计算液滴区k的平均液滴数η，进一步地计算液滴区ki的液滴体积平均直径为d
vm
，则
68.步骤16：进一步地通过重力加速度与表面张力间的关系将液滴体积平均直径转化为液滴的体积vm，其中α，β为常数，γ液滴表面张力；所述液滴表面张力可以通过表面张力仪测得；
69.步骤17：进一步地计算液滴区k的栅格数量；通过matlab程序将液滴区的喷雾轮廓线拟合为g(x)；一个栅格立方体的体积为e3；进一步地液滴区栅格数量为
70.步骤18：进一步地计算液滴区k的液相质量m2，m2＝ρ2nηvm；
71.步骤19：液体燃料的瞬态蒸发量me＝m
0-m
1-m2；
72.以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。