摘 要

截止到现在，人类在生产和生活中使用的能源很大程度上还是来自于碳氢燃料，而由于碳氢颗粒的不完全燃烧，导致了烟黑颗粒的形成。在燃烧过程中火焰辐射，颗粒污染物排放以及系统的燃烧效率都与碳黑的生成有着重要的关系，而且它与人类生活有着密切的联系，大量的烟黑会对人体伤害，除此之外烟黑颗粒还对环境有重要影响。但烟黑颗粒也有其有用的地方，首先烟黑颗粒由于发射率比较高，可以增加火焰的辐射传热，另一方面在蜡烛燃烧时烟黑颗粒会发出的黄色亮光，这种亮光可以加强照明^[1]等。 由上述可知人们生产生活状况与烟黑颗粒存在较大关联，但燃烧过程中存在许多物理变化过程与化学变化过程，很难精确检测火焰燃烧现象。因此很有必要对烟黑生长机机理进行更进一步的研究，火焰碳黑生成特性的研究目前用到的主要手段是燃烧诊断技术。本文拟通过CCD摄像头拍摄甲烷层流扩散火焰与蜡烛燃烧火焰，通过对火焰图像的RGB值推算火焰辐射强度，进而用重建算法得到的数据与模拟数据进行比较，验证该测量方法的可行性。

关键词：烟黑浓度；烟黑颗粒；重建算法；光谱辐射强度

Abstract

Up to now，the use of energy in the production and life of mankind is largely derived from hydrocarbon fuels. And due to incomplete combustion of hydrocarbon particles, Leads to the formation of soot particles. In the combustion flame radiation, particle emission and system of combustion efficiency are and soot formation has an important relationship. And it and human life is closely linked, a large number of soot will harm to the human body, in addition to soot particles are also on the environment has an important influence. Soot particles but also the useful, first of all soot particles due to the relatively high emission rate can increase flame radiation heat transfer. On the other hand, the yellow light the candle burning soot will be issued, this light can enhance the lighting .From the above we can see people production and living conditions and soot particles have great relevance, However, there are many physical and chemical processes in the combustion process, it is difficult to accurately detect the flame combustion phenomenon. So it is necessary to machine mechanism of soot growth further study, the main means used in the present study the soot formation characteristics of the combustion diagnosis technology. In this paper, we will take the methane laminar diffusion flame and the candle burning flame through the CCD camera, The flame radiation intensity is calculated by the RGB value of the flame image, The feasibility of the method is verified by comparing the data obtained from the reconstruction algorithm with the simulated data.

Key words: soot concentration；Soot particles；Reconstruction algorithm；Spectral radiant intensity

目 录

第一章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外烟黑研究现状 1

1.2.1 烟黑生成机理研究现状 1

1.2.2烟黑测量技术研究现状 2

1.2.3 烟黑模型研究现状^[4-10] 3

1.3 课题研究内容及预期目标 4

第二章 火焰模拟标定与温度与烟黑浓度的重建 5

2.1 基本理论 5

2.1.1 气体燃烧的基本理论 5

2.1.2 CCD摄像机 6

2.1.3 双色法的基本原理 7

2.2 火焰模拟标定 8

2.3 重建算法 11

第三章 应用重建算法测量甲烷扩散火焰温度及烟黑浓度 14

3.1 甲烷层流扩散火焰温度与烟黑浓度的测量 14

3.1.1 实验原理 14

3.1.2实验装置 14

3.1.3 实验过程 15

3.2 实验结果与模拟结果分析 16

3.3 重建结果与模拟结果的分析比较 18

3.4 火焰图片的处理 20

第四章 应用重建算法测量蜡烛燃烧火焰的温度及烟黑浓度 21

4.1 实验器材 21

4.2 实验过程 21

4.3 实验结果分析 21

第五章 结论与展望 24

5.1 结论 24

5.2 展望 24

参考文献 25

致 谢 26

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

虽说随着社会的发展各种新能源不断被开发利用，但人们利用能源的过程中燃烧仍然是一种非常重要的手段，而能源在人类与社会的发展历程中起到的作用是难以替代的，伴随着社会和科学的不断进步，尤其是工业更是以一种难以置信的速度高速发展，所以人们与社会对能源的需求量是非常大的，燃烧在人类生产生活中的重要性更加明显。综上所述对燃烧进行深入研究与检测对提高能源效率有着很大帮助，进而影响着社会的发展。虽说研究燃烧对人类生活水平社会的进步具有重大影响，但不容乐观的是随着社会与经济的不断加速发展，人们对能源的需求越来越大，能源供给问题也越来越严重。而且由于碳氢燃料燃烧产生的污染物的排放已严重影响到人类的正常生产生活。但如何解决由于碳氢化合物的不完全燃烧产生的烟黑颗粒是摆在人们眼前的一个非常严峻的问题，它不仅关系到燃烧过程中各种燃料的使用效率，而且与人类的生存与赖以生存的生活环境有着重大关系。因为烟黑颗粒由于其表面特性具有较强的吸附功能，可通过呼吸系统携带毒痕量元素进入人体而且对人体危害极大，而且烟黑颗粒由于其较强的悬浮能力可以在空中悬浮很长时间，其表面的漫反射特性会使冰川加速融化，造成温室效应影响天气甚至气候^[2]。

由于本次试验中需要测量的扩散火焰温度与烟黑浓度在燃烧过程中不断发生变化的，尤其是碳黑的形成过程和相关的化学反应过程都比较复杂，没有被彻底理解。因此要实现对烟黑颗粒排放的有效控制，必须深入研究烟黑的形成机理，进而寻找一种可靠的扩散火焰温度及烟黑浓度测量方法，通过测量得到火焰中温度和碳黑浓度的空间分布，对提高能源的使用效率，降低污染，保护环境，减少火灾事故，维护老百姓的生活安全具有与社会的和谐稳定发展具有很大帮助。