DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2015.07.044

直线移动火源扩散火焰加速运动下的倾角特性

楼波，许建红，林振冠，徐毅

(华南理工大学 电力学院，广东 广州，510640)

摘要：利用高速摄像实时获得匀加速直线运动下移动火源扩散火焰的图像序列，结合数字图像处理和力场分析研究火焰倾角受速度、加速度影响的变化规律。研究结果表明：处于非惯性系的火焰倾角增加规律经历3个不同速率的变化阶段；处于非惯性系的火焰倾角与火焰合力倾角并不是在同一方向上，火焰合力倾角要先于火焰倾角发生偏移，二者之间存在夹角，且大加速度工况下夹角大，随着速度增加，空气阻力增加，夹角减小，火焰倾角与火焰合力倾角同时趋近90°。

关键词：移动火源；火焰倾角；火焰力场；惯性力

中图分类号：TK16             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2015)07-2707-06

Inclination characteristic of diffusion flame of moving fire on linear acceleration motion

LOU Bo, XU Jianhong, LIN Zhenguan, XU Yi

(School of Electric Power, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

Abstract: The image series of the diffusion flame of moving fire on acceleration motion were acquired by using high-speed video camera and the flame inclination characteristic was studied. The results show that flame inclination increase undergoes three stages of changing velocity in non-inertial system. It is not in same direction between flame resultant and flame inclination. In non-inertial system, the flame resultant angle shifts first to the flame inclination and forms an intersection angle. Moreover, the higher acceleration flame is, the more sluggish flame inclination will be. With the increase of flame speed, the air resistance increases and the intersection angle decreases, and the flame resultant angle and the flame inclination finally approach to 90°.

Key words: moving fire; flame inclination; flame force field; inertial force

图像摄像仪结合数字图像处理技术是研究燃烧火焰特征的有效方法^[1-7]。Fan等^[1]利用高速摄像仪捕获了火焰在热中尺度石英玻璃制成的径向通道的燃烧动态过程，分析了非对称火焰的燃烧特征。白卫东等^[4-5]通过对火焰图像处理提取了火焰亮度、质心偏移距离和圆形度等特征量，借用状态判断算法对火焰进行识别和检测。吴晋湘等^[6]利用实时摄像的方法分析了不同转速和气流射流角产生离心力和科氏力对火焰结构的实验影响。蒋晓刚等^[7]通过实验对人工扰流条件下的丁烷射流燃烧形成的火焰倾角进行实例分析，探讨空气扰流速度变化对火焰倾角的影响。但目前国内外学者对移动火源扩散火焰^[8-10]的基础研究较少，仍未很清楚了解移动火源扩散火焰的内在本质和燃烧机理，本文作者通过分析运动速度和力场对火焰形态的影响规律，为进一步认识移动火源下火焰特性提供一定依据。与静止的火焰不同，移动火源是指着火时火源点处于运动状态。随着各种交通工具的增多及其速度的加快，表面起火(移动火源扩散火焰)发生的机率也在增加。Lou等^[8-10]在移动火源扩散火焰前期研究工作中，对圆周运动下和直线匀速运动下移动火源进行描述并通过实验揭示周围气流变化对蜡烛扩散火焰影响的规律。本文作者利用无限大空间匀加速直线运动火源燃烧实验平台和美国柯达公司Motion Corder Analyzer高速摄像仪对移动火源扩散火焰进行拍摄和记录，研究其加速运动下的倾角特性。

1  实验

1.1  实验系统和方法

图1所示为匀加速直线移动火源扩散火焰实验系统图，灯芯固定在滑道小车上，小车由绳子牵引，绳子的另一端经过定滑轮和滑轮组，通过砝码提供动力(图上重物)，使小车做匀加速直线运动。通过调节高速摄像仪与火源距离，确保能拍摄火源清晰图像。拍摄火源从静止开始移动的整个过程。试验中，通过改变砝码的质量来改变加速度。在滑道上确定一段拍摄范围，设置摄像仪拍摄频率，本实验图像拍摄帧数设置为500帧/s，根据图像的张数和位置确定火源的速度和加速度。本文研究火源速度范围为0.012~1.560 m/s，加速度分别为2.5，3.6，5.4和6.5 m/s²，探讨了火源运动状态火焰倾角的变化。

图1  匀加速直线移动火源扩散火焰实验系统示意图

Fig. 1  Experimental system of moving fire on uniformly accelerated linear motion

1.2  实验图像

实验中获取了加速度分别为2.5，3.6，5.4和6.5 m/s²的移动火源扩散火焰图像。图2所示为加速度为5.4 m/s²，速度范围为0.054~1.350 m/s的移动火源扩散火焰匀加速直线运动图像序列。该序列是从拍摄图像的原始序列中每隔4张取出1张，共取25张，相邻两张的间隔时间为0.01 s，便于计算火焰倾角。

由图2可见：速度从0.054 m/s增加到0.162 m/s时，火焰面基本呈圆柱状形，火焰逐渐发生偏移，但较为平缓；速度从0.216 m/s增加到1.080 m/s时，火焰外形变化明显，偏移程度加快；而速度从1.134 m/s增加到1.350 m/s时，火焰倾斜形态变化较为平缓，基本与水平方向平行。

2  实验结果分析

2.1  火焰倾角

火焰在力场的作用下会产生一定的倾角，楼波  等^[8]曾用火焰顶点和底边中点连线直观表示圆周运动的火焰倾斜角度。但直线加速运动时，火焰受惯性力作用，火焰弯曲较大，边缘形状不规则，无法用直线法确定火焰偏转角度。本文火焰倾角定义为：火焰区域图像质心O与火焰根部中点O′的连线，该连线和垂直方向的夹角即为火焰倾角，其中火焰根部中点O′是火焰根部A点与B点之间线段的中点，倾角定义示意图3(b)所示。文中通过matlab编程对拍摄火焰图片用最大类间方差法^[11-12]迭代出二值化图像并进行边缘提取，确定和标记火焰质心和火焰根部中点，后使用E-Ruler电子测算角度工具测量并记录火焰倾角。图像质心坐标^[13-14]求解公式如下：

其中：x和y为火焰图片任意点坐标；x_c和y _c为火焰质心坐标；g(x, y)是二值函数，g(x, y)=1特征区域，g(x, y)=0背景。火焰质心和倾角示意图如图3所示。

图2  加速度a=5.4 m/s²时，25个速度所对应的火焰图像

Fig. 2  25 images of different flame velocity when a=5.4 m/s²

图3  火焰质心和倾角示意图

Fig. 3  Schematic diagrams of flame centroid and flame inclination

图4所示为移动火源在加速度2.5，3.6，5.4和6.5 m/s²时火焰倾角随速度的变化曲线。由图4可知：火焰倾角变化规律经历3个阶段，特别在加速度高时(a=6.5 m/s²)更加明显：1) 第1阶段，当火源运动速度较低，火焰倾角变化趋势较快，如加速度a=6.5 m/s²的工况，火源速度从0.06 m/s增加到0.65 m/s，火焰倾角则从3°增大到61°。2) 第2阶段，火焰倾角变化趋势较第1阶段慢，增加速率降低，火源速度从0.71m/s增加到1.1 m/s，火焰倾角则从65°增大到86°。3) 第3阶段，此时空气阻力进一步增大，但火焰倾角并没有继续快速增加，而是趋于平缓，火源速度从1.23 m/s增加到1.56 m/s，火焰倾角接近90°。

图4  火焰倾角随速度和加速度变化曲线

Fig. 4  Flame inclination variation curves with velocity and acceleration

2.2  火焰力场对倾角的影响

在一个非惯性系中，当系统存在一加速度a时，则惯性力F_G遵循公式：，负号表示与系统运动方向相反。处于加速度运动状态的火源主要受到3个力的作用，分别是火焰自身重力F_g，火焰浮力F_f，火焰移动产生的与空气之间的空气阻力F_Z，由加速度引起的惯性力F_G。图5所示是加速度为3.6 m/s²下速度分别为0.14，0.54和1.26 m/s的火焰受力分析示意图。

当速度为0.14 m/s时，火焰刚从静止开始，因其速度小，阻力较小，相对而言，作用在火焰的浮力和惯性力较大，火焰受到合力指向左上方，火焰倾角较小(倾角18°，见图4，因火源加速运动速度时刻变化，火焰受到合力倾角往往大于火焰倾角)。当速度为0.46 m/s时，速度增大，阻力增大，火焰合力逆时针偏移，火焰倾角增大。速度继续增加到1.26 m/s，火焰倾角在合力作用下继续增大，这时空气阻力在火焰的力场中占据主导地位。浮力和惯性力退居其次，即在火焰高速运动工况下，火焰的合力可近似看作是火焰所受到的空气阻力，故使火焰往水平方向偏移，偏角接近90°。

图5  加速度为3.6 m/s²时不同速度的火焰受力分析示意图

Fig. 5  Flame force analysis at different velocities when a=3.6 m/s²

2.3  惯性力对火焰倾角的影响

火源载体以加速度a开始运动的一瞬间，由于速度近乎为零，火焰在水平面上空气阻力非常小，主要受惯性力作用，方向与火源载体运动方向相反。图6所示是t =0.04 s，加速度分别为2.5，3.6，5.4和6.5 m/s²的火焰开始运动的一瞬间倾斜形态，在同一速度下，加速度越小的火焰在开始运动的一瞬间，所受的惯性力则越小，火焰上下形态整体偏移均匀，偏移角度较大。加速度大的火焰在开始运动的一瞬间，所受的水平向左的惯性力也越大，导致火焰下面部分移动，而中上部区域未开始发生偏移，整个火焰质心偏离不大，即大加速度工况下的火焰倾角发生偏移较迟滞。图4中火焰倾角随速度和加速度变化曲线的初始运动阶段正是反映了这种规律。

图6  t =0.04 s时不同加速度的火焰倾斜形态

Fig. 6  Flame tilted form of different accelerations when t=0.04 s

2.4  火焰合力倾角

火焰载体做匀速直线运动，火焰所受的合力与火焰倾角在同一方向上，这时火焰合力倾角和火焰倾角保持一致。而本文研究的非惯性系的匀加速直线运动中，火焰倾角与火焰合力倾角并不是在同一方向上，火焰合力倾角要先于火焰倾角发生偏移，两者之间的夹角记为γ，如图7所示。在图4中，例如对加速度a=6.5 m/s²的倾角特性曲线，大加速度下水平方向惯性力大，合力倾角较大，但这时火焰下部移动较快，中上部基本不动，整个火焰质心偏离不大，火焰倾角β较小，两者之间的夹角γ较大。随着运动进行，到第2阶段，在加速度大的工况下，惯性力使火焰图像倾角快速增加，很快赶上并超过加速度小的工况下的火焰倾角。第3阶段由于速度较快，空气阻力起决定作用，惯性力的影响减弱，合力与火焰倾角之间的夹角γ减小并趋近于0°，最后的火焰偏角接近并稳定在90°位置。

图7  火焰合力倾角α、火焰倾角β和合力与火焰倾角之间的夹角γ的示意图

Fig. 7  Sketch map of joint flame resultant angle α, flame inclination β and intersection angle γ

3  误差分析

本研究的火焰倾角是通过实验平台和高速摄像仪得到火焰图像，然后在MATLAB软件编程获取火焰图像的质心和倾角。但是在火焰图像的采集和处理的过程中，由于火焰载体的速度、拍摄角度、现场气流干扰、火焰图像预处理等因素的影响，实测数据存在误差。

3.1  系统误差

方法误差主要包括：1) 拍摄的图像是二维且竖直于水平面的，高速摄像机固定于某一位置，火焰运动发生位移时，镜头轴线并不总是垂直于火焰，因此拍摄到的图像是火焰面在拍摄平面上的投影，比实际火焰倾斜形态小些。2) 最大类间方差法迭代出二值化图像分割阈值会影响获取的火焰二值化图像，MATLAB软件环境下计算出的火焰倾角，计算出的火焰倾角与真实火焰倾角相比，会存在误差。

3.2  随机误差

摄取火焰运动图像序列的现场是大空间封闭的环境，但也可能出现气流干扰，影响到火焰燃烧的正常形态，导致高速摄像机输出的火焰图像可能出现随机误差。因此，在实验中，一方面尽量减少干扰气流的存在；另一方面，通过增加实验次数取平均值消除随机误差。

4  结论

1) 火焰倾角变化规律经历3个阶段：第1阶段，火源速度从0.06 m/s增加到0.65 m/s，火焰倾角则从3°增大到61°，火焰倾角变化趋势较快；第2阶段，火源速度从0.71 m/s增加到1.1 m/s，火焰倾角则从65°增大到86°，火焰倾角变化趋势变为平缓；第3阶段，当火焰速度达到高速度1.56 m/s以后，火焰倾角逐渐接近或等于90°。在加速度大的工况下，火焰倾角第1阶段滞后，第2和第3阶段增速明显。

2) 处于非惯性系的火焰倾角与火焰合力倾角并不是在同一方向上，火焰合力倾角大于火焰倾角，两者之间存在夹角。速度小时惯性力作用显著，夹角较大，而速度大时阻力起决定作用；夹角减小，火焰倾角与火焰合力倾角同时趋近90°。

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(编辑  杨幼平)

收稿日期：2014-07-19；修回日期：2014-10-13

基金项目(Foundation item)：广东省自然科学基金资助项目(S2013010016748)；广东省能源高效清洁利用重点实验室项目(KLB10004) (Project(2008A060301002) supported by the Natural Science Foundation of Guangdong Province, China; Project(KLB10004) supported by Key Laboratory of Efficient and Clean Energy Utilization of Guangdong Province, China)

通信作者：楼波，博士，副教授，从事燃烧理论与应用研究：E-mail: loubo@scut.edu.cn