火焰图像二值化统计与湍流旋流燃烧器中氢富化煤油燃烧的污染物排放分析

《Fuel》：Flame image binarization statistics and pollutant emission analysis of hydrogen-enriched kerosene combustion in a turbulent swirl burner

氢气富集航空煤油燃烧特性及排放研究，通过15kW湍流旋流燃烧器实验，考察0-10%热功率氢气富集对火焰形态及NOx、CO排放的影响，发现火焰稳定性与氢浓度相关，采用聚类算法处理多色火焰图像，揭示了当量比、雾化压力与氢浓度协同作用下的燃烧优化路径。

　　在当今全球能源结构转型和碳中和目标日益迫切的背景下，航空领域的减排问题成为科学家和工程师关注的焦点。随着化石燃料的使用逐渐受到限制，寻找可持续的替代能源成为关键课题。氢气作为一种潜在的清洁能源，因其燃烧过程中几乎不产生二氧化碳，且具有较高的能量密度和燃烧效率，被认为是未来航空燃料的重要发展方向。然而，氢气在实际应用中仍面临诸多挑战，包括技术可行性、经济成本以及与现有燃烧系统的兼容性。因此，如何在现有技术基础上实现氢气的高效利用，同时减少污染物排放，成为当前研究的核心问题。

本研究旨在探索氢气富集对航空燃料燃烧特性的影响，特别是在湍流旋流燃烧器中的应用。通过将氢气与航空煤油混合，研究者希望能够在不改变现有燃烧系统结构的前提下，提升燃烧效率并减少污染物排放。实验中采用了0至10%的氢气富集比例（P%），并结合不同的等当比（equivalence ratio）和雾化压力（atomizing pressure），对燃烧过程进行全面分析。这一研究不仅有助于理解氢气富集对燃烧特性的影响，也为未来航空燃料的优化提供了理论依据和技术支持。

氢气富集的燃烧特性与传统航空燃料存在显著差异。在燃烧过程中，氢气的加入会改变火焰的颜色、形状和稳定性，这些变化对燃烧效率和污染物排放具有重要影响。通过使用商业相机记录燃烧过程中的火焰图像，并结合图像处理技术，研究者能够准确地分析火焰的可见面积和亮度分布。此外，实验还测量了NOx和CO等污染物的排放情况，以评估氢气富集对环境的影响。研究发现，当氢气富集比例超过4%时，火焰的颜色和亮度分布开始出现明显变化，这表明氢气富集对燃烧过程的影响具有非线性特征。

在图像处理方面，传统的二值化方法难以准确捕捉氢气富集燃烧过程中复杂的火焰特征。因此，研究者采用了一种基于聚类算法的图像处理技术，通过分析火焰的亮度分布，将火焰图像分为不同的类别，从而更精确地计算火焰的可见面积。这种方法能够有效区分不同颜色的火焰区域，并识别出背景反射对图像处理的影响。实验结果显示，当氢气富集比例在0至10%之间时，火焰的亮度分布呈现一定的规律性，而火焰的形状和稳定性则受到等当比和雾化压力的显著影响。

此外，研究还发现，氢气富集在燃烧过程中能够显著降低CO的排放量，同时对NOx的排放影响较小。这表明氢气作为一种清洁能源，能够在减少温室气体排放的同时，降低其他污染物的生成。然而，由于氢气的燃烧特性与传统航空燃料存在差异，如何在实际应用中实现稳定的燃烧过程，仍然是一个需要解决的关键问题。研究者通过调整等当比和雾化压力，优化燃烧条件，以确保氢气富集燃烧的稳定性。

在燃烧效率方面，氢气富集能够提升火焰的传播速度和反应性，从而降低冷却空气的需求，提高整体燃烧效率。这一特性对于航空发动机的设计具有重要意义，因为它可以在不改变涡轮进口温度的前提下，实现更高的燃烧效率。此外，氢气富集还能够促进燃烧器的重新设计，使其适用于更稀薄的燃料混合比例，从而进一步降低NOx的排放。这些发现为未来航空燃料的优化提供了理论支持，并为实际应用中的燃烧系统设计提供了参考。

本研究的实验数据表明，氢气富集对燃烧过程的影响具有非线性特征，且在不同参数设置下表现出不同的行为模式。通过对比不同氢气富集比例下的燃烧结果，研究者能够更深入地理解氢气富集对燃烧特性的具体影响。此外，研究还发现，氢气富集燃烧的火焰面积在一定范围内遵循正态分布，这为燃烧过程的建模和控制提供了理论依据。这些结果不仅有助于优化现有的燃烧系统，也为未来氢气富集燃烧技术的发展提供了重要参考。

在环境影响方面，尽管氢气富集燃烧能够显著减少CO2的排放，但其对NOx的排放影响较小。这表明氢气作为一种清洁能源，能够在减少温室气体排放的同时，降低其他污染物的生成。然而，由于NOx的气候变暖潜力被普遍认为为零，因此在生命周期评估中，NOx的排放增加对直接环境影响的影响可以忽略不计。这一发现为氢气富集燃烧的环境效益提供了支持，并为未来航空燃料的可持续发展提供了理论依据。

综上所述，氢气富集燃烧技术在航空领域的应用具有重要的潜力和挑战。通过优化燃烧参数和图像处理技术，研究者能够更准确地评估氢气富集对燃烧特性的影响，从而为未来航空燃料的开发和应用提供科学支持。这一研究不仅有助于推动航空行业的碳中和进程，也为相关领域的技术创新提供了新的思路和方向。