燃烧火焰能直观地反映燃料燃烧速度的快慢和燃烧质量的好坏,深入研究燃料的燃烧火焰特性,对于提高燃烧效率和减少污染物排放均具有重要意义。生物柴油是一种极具潜力的代用燃料,但国内外文献中对其燃烧火焰特性的研究鲜见报道。本文开展了生物柴油在柴油机缸内环境和大气环境下的燃烧试验,基于数字图像处理技术,对燃烧火焰图像进行了采集、处理和分析,较系统地分析了不同调合比例的生物柴油-柴油混合燃料燃烧火焰的分形特性、温度特性和稳定性的影响因素和变化规律,为改善生物柴油燃烧过程、抑制污染物生成提供一定的理论基础。(1)搭建大气环境下的燃烧试验装置,利用CCD相机采集了不同调合比例的生物柴油-柴油混合燃料在不同空气流量条件下的燃烧火焰图像。采用数字图像处理技术,对大气环境下采集的火焰图像以及前期获取的生物柴油缸内燃烧火焰图像进行预处理,利用非线性中值滤波法去除图像噪声,应用直方图均衡化法增强图像的对比度,采用最大类间方差法对火焰图像进行分割,并对火焰图像进行像素尺寸调整。预处理后的图像质量得到了明显改善,火焰结构更加清晰,为火焰特征参数的提取奠定了基础。(2)研究缸内和大气环境下生物柴油燃烧火焰分形特性的影响因素及变化规律。采用差分数盒子法和数盒子法,计算了火焰图像的分形维数(Fractal Dimension,D),分析了分形维数随生物柴油调合比例、转速、空气流量和燃油温度的变化规律。结果表明,两种环境下,随着生物柴油调合比例的增大,分形维数均呈现先减后增的变化趋势;随着转速和空气流量的增大,分形维数逐渐增大;随着燃油温度的升高,分形维数逐渐增大。这主要是因为生物柴油的“自供氧能力”能促进燃烧,较强的气流运动以及较高的转速均能促进火焰边缘处油气的混合,并增大火焰边缘轮廓的扰动,使火焰边缘燃烧更加剧烈,导致褶皱程度增加,表现为分形维数增大。(3)提出火焰温度特性的评价指标和计算方案,分析了两种环境下火焰温度特性的影响因素和变化规律。基于燃烧火焰的全辐射定律,利用全辐射温度、像素点灰度和全辐射亮度之间的线性关系,建立了缸内燃烧火焰图像灰度与温度理论关系的计算方程;构建了大气环境下燃烧火焰温度的径向基神经网络(Radial Basis Function,RBF)预测模型,以火焰图像像素点的三基色亮度值为输入,热电偶测得的像素点处温度值为输出,对RBF模型进行了训练和验证。利用两种火焰温度计算模型,计算和分析了高温面积率、有效火焰平均温度、高温像素点数量和最高火焰温度的变化规律。结果表明,缸内环境下,随着生物柴油调合比例的增大,高温面积率逐渐减小,有效火焰平均温度先降低后升高;转速增大时,高温面积率和有效火焰平均温度也随之升高。大气环境下,随着空气流量的增大,高温像素点数量和最高火焰温度均呈现先增后减的变化趋势;随着生物柴油调合比例的增大,高温像素点数量先减少后增加,最高火焰温度逐渐升高。这主要是由于生物柴油的“自供氧能力”能促进燃烧,较低的空气流量以及较高的转速均会使油气混合更加均匀,燃烧所释放的热量增加,使得火焰平均温度升高和高温区域面积增大。同时,生物柴油较低的热值和过高的空气流量均会使燃烧所释放的热量减少,导致火焰平均温度和高温区域面积出现不同程度的下降。(4)对两种环境下火焰的稳定性开展了研究,提出六种评价指标(火焰的丰度、传播速率、圆形度、高度、宽度、有效面积),基于图像特征值算法,确定了图像像素与实际面积之间的线性关系,计算和分析了上述指标的影响因素和变化规律。结果表明,缸内环境下,随着生物柴油调合比例的增大,火焰丰度和火焰传播速率均先减小后增大,火焰圆形度先增大后减小;随着转速的增大,火焰传播速率减小,火焰丰度和火焰圆形度均明显增大。大气环境下,随着空气流量的增大,火焰高度和有效面积均先增大后减小,火焰宽度逐渐减小;随着生物柴油调合比例的增大,火焰高度、宽度和有效面积均呈现逐渐减小的变化趋势。这主要是因为生物柴油较大的粘度使其蒸发雾化的效果变差,油气混合均匀度降低,燃烧所释放的热量及火焰的运动动能变化不稳定,导致火焰稳定性减弱;较高的转速和较低的空气流量能促使油气混合均匀,燃烧所释放的热量及火焰的运动动能变化稳定,使得火焰稳定性增强。