一种计算管路气体爆炸火焰传播速度的方法 【技术领域】
本发明涉及一种气体爆炸火焰传播速度的计算方法，属于燃烧爆炸和安全技术领域，特别涉及一种利用高速摄影图像计算管路气体爆炸火焰传播速度的方法。
背景技术
煤炭是我国重要的基础产业，长期以来，煤炭在我国一次能源生产和消费构成中均占2/3以上，但煤矿安全形式严峻。我国煤炭95％以上为井工开采，由于煤炭赋存的地质条件复杂多变，煤层瓦斯赋存含量普遍较高，现在开采的矿井30％以上都是高瓦斯矿井。建国以来，一次死亡百人以上的事故共发生23起，其中瓦斯(或者瓦斯煤尘)爆炸事故发生21起，占91.3％。瓦斯是一种以吸附和游离两种状态存在于煤层和煤系地层中，开采时会向采掘空间涌出，瓦斯具有燃烧、爆炸性质，当与空气或氧气混合并达到一定浓度后，一旦遇到一定强度诱发能量的作用，即可发生燃烧、爆炸。瓦斯爆炸是煤矿中最严重的自然灾害之一，煤矿瓦斯爆炸事故往往会导致通风系统破坏，风流紊乱，有毒有害气体蔓延，甚至发生连续的灾害事故，给救灾工作带来极大的困难和危险。近几年煤炭需求量大幅度提高，煤矿企业生产规模增大，不少特大型矿区如平顶山、淮南、鸡西、鹤岗等相继增加开采深度和强度，煤层的瓦斯压力和矿井瓦斯涌出量越来越高，恶性瓦斯爆炸事故时有发生，正越来越多地制约着煤矿的安全生产，瓦斯风险构成了煤矿最严重的安全风险之一。另外，瓦斯爆炸会卷扬起沉积在巷道底部的沉积煤尘而形成更为剧烈的二次爆炸。单纯的瓦斯或煤尘爆炸发生很少，煤尘爆炸事故常常是瓦斯和煤尘混合爆炸、共同作用，其危害程度要比单一瓦斯或煤尘爆炸大得多。
在化工行业也经常会遇到气体爆炸的情况。化工行业是国民经济的基础工业，属于我国的支柱性产业。但由于危险化学品所固有的易燃易爆、有毒有害的特性，使得安全问题尤其重要。目前，我国的化工安全形势比较严重，各类事故和职业危害频繁，已成为制约我国化学工业健康发展的重要问题，全国各类伤亡事故总数居高不下，并呈现不断上升的趋势。据不完全统计，我国2001-2006年化工生产、经营企业发生的火灾爆炸事故约109起，死亡440人，同时给人民生命财产造成巨大损失，给局部环境带来严重污染。如1999年9月2日，甘肃省白银市某厂TDI(甲苯二异氰酸酯)生产线光气室发生爆炸事故，造成3人死亡，5人重伤，8人轻伤，直接经济损失达4821.8万元，属特别重大事故。2007年5月11日，化工集团沧州大化TDI公司TDI车间硝化装置发生爆炸事故，造成5人死亡，80人受伤，其中14人重伤，厂区内供电系统严重损坏，附近村庄几千名群众疏散转移。
如何在现场有效预防瓦斯以及化学气体的燃烧、爆炸是当前急需解决的难题，利用实验室爆炸管路研究瓦斯等气体爆炸火焰的动态传播演化规律具有重要的意义。
目前，实验室管道爆炸实验系统研究气体爆炸火焰的动态变化常采用火焰速度测量系统进行火焰传播速度的测量，火焰速度测量系统采用光电转换的方法，在实验管道沿程布置多个光电探头，它所测量的是相临两个探头之间的火焰前锋传播的平均速度，不能对火焰的传播规律进行量化。设计一种精确、方便的方法来研究气体爆炸火焰的动态传播演化规律，就成为本发明要解决的问题。
【发明内容】
鉴于上述现有技术领域中的实际情况，本发明旨在提供一种过程简单、精确方便的研究气体爆炸火焰动态传播演化规律的方法。
本发明是通过以下技术方案来实现的：
一种计算管路气体爆炸火焰传播速度的方法，包括：在气体爆炸管道视窗安装高速摄影装置，确定拍摄频率，对气体爆炸火焰进行高速拍摄；确定拍摄图像与实际视窗尺寸间的对应关系；对相邻拍摄图像分别从两个方向按照横轴的单位长度对应的纵向图片进行裁减，求取被裁减两幅图像的相关系数，按相关系数最大值对应的裁减尺寸确定火焰移动距离；根据对应关系计算火焰移动的实际距离，结合拍摄频率计算火焰传播的实际速度。
所述拍摄图像可进行四周边缘部分的裁剪。每次拍摄都要进行单幅拍摄图像与实际视窗尺寸的关联计算，确定每幅拍摄图像尺寸和实际视窗尺寸的对应关系。
所述高速拍摄的速度至少大于火焰传播速度的两倍。
所述拍摄频率为1000幅/s、2000幅/s或5000幅/s。
所述裁减过程按照横轴像素对应的纵向图片进行裁减。
本发明所述的一种利用高速摄影图像计算管路气体爆炸火焰传播速度的方法，通过在气体爆炸管道视窗安装高速摄影装置进行高速拍摄，利用图像处理技术对高速摄影采集的图像进行相应处理，最后得出精确地管路内气体爆炸火焰的传播速度，从而为分析气体爆炸火焰的动态传播演化规律提供依据。该方法不仅可以得到气体爆炸火焰前锋的传播速度，还可以求取火焰充满整个管道时的传播速度，同时该方法可以对爆炸火焰的正、反向速度进行求取，可以得到火焰的动态传播演化规律。该方法同时可以适用于对固体爆炸火焰传播速度的求取。整个计算过程精确、方便，真实反映了气体爆炸火焰地动态传播演化规律，非常适合在对气体爆炸火焰传播规律的研究中推广、使用。
【附图说明】
图1为本发明所述方法测量计算的两幅图像的相关系数曲线图；
图2为本发明所述方法计算的爆炸火焰传播速度变化规律的曲线图。
【具体实施方式】
本发明的中心思想是通过在气体爆炸管道视窗安装高速摄影装置，对气体爆炸火焰按照一定频率进行高速拍摄，然后对拍摄的图像运用图像处理技术进行处理，最后得到气体爆炸火焰的动态传播演化规律，为解决和控制管路中的气体爆炸过程提供依据。
为了形象地说明利用高速摄影图像计算管路气体爆炸火焰传播速度的方法，下面对本发明作进一步的具体解释和描述：
一、具体装置和结构
采用管道内径80mm×80mm，长度为24m的密闭管道作为研究对象，全管内充满9.5％的甲烷-空气混合气体，管道壁上设有密闭的透明视窗，视窗四周装有密封胶条，高速摄影机安装在透明视窗上对管内进行高速拍摄，拍摄速度为2000幅/s，照片分辨率为252×186。当然，也可根据需要将拍摄速度定为1000幅/s或5000幅/s，其设定可根据需要而定。
二、实验过程
点燃管道内混合气体，混合气体在燃烧爆炸过程中火焰在管道内开始传播，高速摄影机通过透明视窗随时拍摄管道内不断变化的火焰传播过程，通过采集到的一连串照片图像进行火焰传播过程分析，计算管道内气体爆炸过程中火焰传播速度、分析传播过程。
三、图像分析过程
1、图像尺寸和实际尺寸的联系
必须建立图像尺寸和实际尺寸的对应关系才能够计算出火焰的传播速度。因为在高速摄影拍摄爆炸火焰传播过程中，高速摄影机每次都需要调整距离和对焦，因此每次拍摄出的图像和实际尺寸都有不同，而后期的火焰传播分析过程都以拍摄的图像为基础，故需要针对每次拍摄环境建立图像和实际尺寸的对应关系，保证通过图像和对应关系可以反映出实际的尺寸变化，真实表述火焰传播距离和传播过程。所以，对高速拍摄到的视窗尺寸首先要进行识别，如实验时的视窗尺寸为190×70mm，拍摄的图像分辨率为252×186，结合图像中视窗尺寸，就可以得到图像距离和实际距离之间的对应关系k＝0.844，根据此对应关系就可随时计算出图像中距离反映出的实际距离。
2、图像干扰处理
由于视窗玻璃安装时为了保证气密性，在边缘加了一层密封橡胶垫片，拍摄出的玻璃视窗边缘会受到影响，有阴影且不是标准的直线，因此为了减小误差，需要对图像四周受到影响的边缘部分进行裁减，得到真正有用和标准的图像，保证图像和测量过程的准确性。
3、爆炸火焰的传播速度计算原理
爆炸火焰经过玻璃视窗时，利用高速摄影机拍摄到的相邻两幅图像，只要求得后一幅图像比前一副图像运动变化的距离，根据拍摄频率就可算出火焰传播的速度。
本发明采用将两幅相邻的图像分别沿横向进行裁减，在裁剪过程中不断比较两幅图像的相似程度，从而在最相似状态下确定出图像间的移动距离，完成最大相关系数法的移动距离计算。例如：高速摄影拍摄速度足够快的情况下，第一幅火焰向前运动了一段距离ΔL，拍摄到了第二幅火焰，如果将第一幅图像运动的距离，即靠近第二幅图像的右侧对应图像裁减掉，同时，将第二幅图像即图像左侧运动距离对应的图像裁减掉，两幅图像进行比较就是最大相似的，此时，裁剪掉的图像距离就是火焰的移动距离。
实际计算中，将第一幅图像右侧沿着单位像素进行裁减，同时，将第二幅图像左侧沿着单位像素进行裁减，每裁减单位像素就求取两幅图的相似系数，最后得到的最大相似系数对应的裁减长度，就是运动的长度距离Δp，其对应的实际距离就是ΔL＝k×Δp，在此需假设图像拍摄速度足够快，第一幅图像还没有完全运动超过视窗就拍摄到了第二幅图。两幅图像的时间间隔从高速摄影机的拍摄频率就可算出，从而能准确计算出火焰传播的实际速度。
综上所述，本发明所述的一种计算管路气体爆炸火焰传播速度的具体步骤包括：
首先，在气体爆炸管道视窗安装高速摄影装置，确定拍摄频率，高速拍摄的速度至少大于火焰传播速度的两倍，对气体爆炸火焰进行高速拍摄，完成火焰爆炸传播过程的图像采集。
其次，根据情况对拍摄图像周边的密封胶条进行相应的裁剪，保证图像四周边沿的准确性和有效性，避免由于密封胶条边部不平整带来的图像尺寸计算误差。裁剪后的拍摄图像根据图像的大小和实际视窗的大小进行尺寸关联，确定拍摄图像与实际尺寸间的对应关系，算出对应系数。其中，由于每次实验高速相机要重新对焦，对于每次实验拍摄图像都要进行与实际视窗尺寸的关联计算，以确定每次实验拍摄图像尺寸和实际视窗尺寸的对应关系。
接着，对拍摄到的相邻图像分别从两个方向按照横轴像素对应的纵向图片进行裁减，在不断裁减过程中求取被裁减两幅图像的相关系数，按相关系数最大值对应的裁减尺寸确定火焰移动距离。其中，第一幅图像裁减掉的是起始火焰在第二幅图像中移出的部分，第二幅图像裁减掉的是第一幅图像中没有而后移进的部分。随着第一幅图移出部分和第二幅图移进部分依次被裁减掉1个，2个，……，N个(N小于图像最大像素)像素的距离，求取裁减后两幅图像的相关系数，得出相关系数最大时所裁减的像素数n，就得到了像素移动的距离P。无论对于火焰是否充满视窗都可以采用此方法。图1为两幅图像的相关系数曲线图，其中最大相关系数为0.9880，像素移动距离P＝15像素。
最后，根据像素移动距离以及图像尺寸与实际尺寸的对应关系计算出像素移动的实际距离，结合拍摄频率计算出火焰传播的实际速度。两幅图像间隔的时间：t＝0.5ms，火焰传播速度：v=k×Δpt.]]>如图2所示，利用上述方法可以得到一组管路中气体爆炸火焰传播速度随时间的动态变化规律。从高速拍摄的图像可以看到整个图像运动方向和持续时间的变化，利用图像相关系数求取图像的传播速度，定量描述了管路内气体爆炸图像传播的过程。
另外利用该方法不仅可以得到气体爆炸火焰前锋的传播速度，还可以求取火焰充满整个管道时的传播速度，具有通用性和应用的广泛性。