单个气泡在静水中近壁区域运动规律的图像测量研究

论文摘要

水气两相流动是自然和工程领域中一种重要的流动现象,水利及许多工业及工程领域若干关键问题都涉及近壁水气两相流动的研究。然而由于测量手段的限制,对气泡在静水中近壁附近运动规律的研究还很不充分,本文结合高等学校博士学科点专项科研基金项目,应用数字图像处理与分析技术,研究上升气泡与倾斜壁面的相互作用问题,初步探讨了气泡的变形,气泡在壁面附近的反弹,滑移,黏附的特性和规律。主要研究内容和成果有:(1)设计了试验系统。为了获得高质量的图像,通过对白炽灯、发光二极管、卤素灯和激光等多种光源的分析和实拍比较,确定采用发光二极管作为光源,设计和制作了二极管阵列光源板。通过设置大的稳压气胎和微调节阀,成功实现了等间隔释放均匀气泡。(2)分析比较了多种数字图像处理方法的优缺点,结合气泡图像的特点,为符合常规首先对气泡图像求反,图像的预处理确定采用静止背景析出法,即将气泡求反后的图像减去利用静止背景析出法生成的背景后得到的图像,在图像预处理时利用静止背景析出法生成的背景比以往使用相机拍摄直接得到的背景要好;而图像的处理即气泡的提取则采用作者所编程序,利用最大类间方差阈值分割法对图像进行阈值分割。最大类间方差阈值分割法不受气泡图像的直方图是否具有明显双峰的影响,为自动取阈值法,同时从分割的实际效果来看,最大类间方差阈值分割法也比其他方法要好,因此,本文最终选定最大类间方差阈值分割法为本文阈值确定方法对图像进行二值化处理。(3)试验获得了气泡的变形、气泡的运动轨迹、气泡沿倾斜壁面切向的上升速度以及在倾斜壁面法向上的反弹速度等参数。分析了气泡在壁面上黏附、滑移和反弹的特性和规律。(4)结果表明:当壁面水平放置时,气泡黏附在壁面上;气泡在壁面倾斜角度大于零时即开始沿壁面滚动滑移。当气泡沿倾斜壁面运动时,其形状和大小不断改变,当气泡质心与壁面的距离小于其半径时,此时气泡的变形随着壁面倾斜角度的增大而减小,气泡与同一壁面碰撞前后的变形随时间的变化是先由小到大然后再减小直至形状基本恢复;气泡沿倾斜壁面切向的上升速度随着倾斜角度的增大而单调增大,气泡在倾斜壁面上的反弹速度变化幅度也随着倾斜角度的增大而单调增大。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 主要符号表
• 1 绪论
• 1.1 课题背景与意义
• 1.2 近壁区域气泡运动研究现状
• 1.3 国内外两相流测量方法研究现状
• 1.4 本文的主要工作
• 2 试验装置与试验方案
• 2.1 试验装置设计及主要设备
• 2.1.1 试验系统的设计
• 2.1.2 气泡的产生
• 2.1.3 光源及光路设计
• 2.1.4 摄像系统
• 2.2 试验研究方案
• 2.2.1 试验步骤及注意事项
• 2.2.2 图像比尺的计算
• 2.3 本章小结
• 3 测量图像的处理方法
• 3.1 气泡速度场的测量方法
• 3.2 气泡尺寸检测方法
• 3.3 图像的预处理方法
• 3.3.1 图像去噪
• 3.3.2 灰度变换
• 3.3.3 直方图变换
• 3.3.4 非均匀背景的修正
• 3.3.5 静止背景析除法
• 3.4 气泡的提取方法
• 3.4.1 双峰法
• 3.4.2 最大类间方差阈值分割法（Ostu法）
• 3.4.3 迭代法
• 3.5 本章小结
• 4 气泡在静水中沿倾斜壁面附近运动的试验研究
• 4.1 引言
• 4.2 坐标系的建立
• 4.3 上升气泡运动轨迹的图像测量
• 4.3.1 气泡运动的可视化研究
• 4.3.2 上升气泡的运动轨迹
• 4.4 气泡运动的受力分析
• 4.5 气泡在壁面附近运动的特性
• 4.5.1 气泡接触壁面时的变形
• 4.5.2 气泡在壁面黏附的特性
• 4.5.3 气泡沿倾斜壁面滑移的特性
• 4.5.4 气泡沿倾斜壁面反弹的特性
• 4.6 本章小结
• 5 总结与展望
• 5.1 本文的研究总结
• 5.2 今后研究的发展方向
• 致谢
• 参考文献
• 附录