[发明专利]一种基于图像的颗粒燃烧温度测量方法

说明书

本发明涉及一种基于图像的颗粒燃烧温度测量方法。选择燃烧的颗粒及周围介质空间作为计算区域，并将其离散成多个网格，采用Monte Carlo概率模拟的方法跟踪辐射射线在每个网格中的吸收、散射和反射等衰减过程，实现对燃烧室内辐射传递过程的分析和模拟。目标温度分布求解及重建过程则是火焰辐射成像的逆过程，即由探测到的成像数据反向计算目标火焰的温度分布。本发明方法考虑了目标发射率，并且针对非均匀介质的辐射特性参数会随组分浓度和温度而变化的特点，采用一阶模型拟合计算域不同位置的气体吸收系数，有效提高测量精度。

技术领域

本发明涉及辐射成像技术和金属颗粒燃烧等领域，具体涉及一种推进剂中金属添加剂燃烧温度测量方法。

背景技术

与碳氢燃料相比，硼颗粒及镁、铝等金属颗粒具有热值高、性能稳定且储量丰富等优点，是良好的推进剂添加剂，在固体火箭、冲压与组合推进以及水下推进等领域有着广泛应用前景。目前，国内外各研究机构针对金属颗粒点火燃烧特性开展了大量的研究工作，而颗粒表面温度及周围气相火焰温度是表征颗粒燃烧特性的重要参数，基于此，颗粒燃烧火焰温度测量成为研究颗粒燃烧特性的重要环节。就现有的温度测量技术来看，主要采用假定发射率的辐射测温法测量较低温度下金属燃烧温度，而且在理论上存在误差，不具通用性。而近年来，基于辐射成像逆求解三维温度场的温度测量技术成为燃烧领域研究热点，该方法充分利用了火焰自身辐射特性，而且具有成本低、易实施等优点。然而，其针对一般工业炉温度场重建工作开展及其成果虽较多，但用于发动机燃烧室的研究太少，有待进一步发展。

目前，国内外针对金属颗粒燃烧特性的研究工作中，部分学者已经采用拍摄颗粒燃烧图像的方法测量颗粒温度。通过直接拍摄观测目标，分离提取燃烧状态的颗粒图像，在温度测量方面忽略了目标发射率影响，采用双色法进行测量，将图像中颗粒的色度直接与预先计算的“温度比色卡”对比从而得到对应的温度，缺乏细致研究，故而亟需一种实施简单、实用性强的推进剂金属颗粒燃烧温度测量方法。

发明内容

针对现有的技术缺陷及需求背景，本发明基于颗粒图像提出一种燃烧室环境下推进剂中金属添加剂颗粒燃烧温度测量方法，其具有实施简单、实用性强、应用对象广泛等特点。

本发明的工作原理是：推进剂在燃烧室内燃烧时同时存在发射、吸收、散射和壁面反射等效应，选择燃烧的颗粒及周围介质空间作为计算区域，并将其离散成多个网格，采用Monte Carlo概率模拟的方法跟踪辐射射线在每个网格中的吸收、散射和反射等衰减过程，实现对燃烧室内辐射传递过程的分析和模拟。辐射成像过程主要由计算域内燃烧颗粒表面及周围气相火焰辐射产生的能量射线经过各种衰减过程后到达CCD探测器靶面并成像，而目标温度分布求解及重建过程则是火焰辐射成像的逆过程，即由探测到的成像数据反向计算目标火焰的温度分布。

本发明的详细方案是：

(1)为避免其他辐射影响，采用显微放大镜头捕捉单独颗粒，并对拍摄到图片进行降噪去干扰处理，将原始图像转为灰度图像并减去背景图像，在此基础上进行图像增强，即获得处理后的图像；

(2)针对目标区域进行网格划分,将颗粒表面划分为g_x×g_y的表面网格，选取颗粒至CCD探测器之间区域作为计算域并离散成g_x×g_y×g_z的立方体网格；

(3)对与颗粒表面单色辐射射线的发射位置P点坐标(x_P,y_P,z_P)及发射角度锥角φ和圆周角θ采用随机模拟发射方式确定：

式中：Δx、Δy、Δz为立方体网格边长，R_x、R_y、R_z、R_θ、R_φ为(0,1)区间随机数；