基于单帧单曝光图像法的多相流速度场和粒度分布测量研究

论文摘要

在现代工业中诸如烟尘监测、基于粉体制备要求的粒度测量和各种输粉管道内的流量控制等众多多相流速度和粒度测量问题日益突出。现有的测量技术已经无法满足工业中所提出的在线测量、场测量、成本控制等一系列要求，因此研究一种系统简单、轻便，价格低廉，可视化的多相流速度场和粒度分布测量方法对多相流测量技术的发展具有重要意义。粒子图像测速技术(PIV)已是流动、传热实验研究中的主要测量方法，但仪器价格昂贵，系统复杂。在PIV中为获得清晰的颗粒运动图像，图像的曝光时间极短。实际上由较长曝光时间产生的颗粒运动模糊图像同样含有运动速度和粒度大小的信息。运动模糊图像的长度可以认为是颗粒在曝光时间内的运动距离，其轨迹方向对应颗粒的速度方向，其轨迹宽度表征了颗粒的粒度大小。采用成本相对低廉、设备简单的图像法测量系统，控制图像的曝光时间，可以从单帧单曝光图像中得到与PIV相同的流场测量结果。基于单帧单曝光运动模糊图像的多相流场测量技术汲取了PIV、高速摄影等方法的优点，该方法出现于上世纪八十年代，限于当时的软硬件水平只能对流场参数做定性分析。随着激光技术、半导体光源技术和图像传感器测量技术的迅速发展，使得图像法测量技术在多相流测量领域有很大的发展空间；而数字图像传输技术和计算机技术的发展，则能够更快速方便的得到清晰图像和处理结果。本文着重研究单帧单曝光图像测量技术的处理算法，介绍系统设计的参数选择方法，实验分析激光光源和LED背光对速度和粒度测量的影响。本文总结了多相流速度场和粒度测量技术的研究现状，建立了基于单帧单曝光模糊图像的两相流场运动模型，研究了运动颗粒在图像上的灰度分布规律，阐明了基于该方法的颗粒速度和粒度测量原理和图像处理算法，搭建了二维图像法多相流场测量试验台，对图像测量设备进行了标定。本文通过颗粒重力沉降实验和液固两相圆柱绕流实验，分别运用该方法测量了气固、液固两相流离散相的速度场和粒度分布，实验结果与理论值基本相符，证明了该方法可以用于测量多相流速度场和粒度分布，且具有较高的可靠性和精度。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• §1.1 课题的研究背景和意义
• §1.1.1 汽轮机低压缸内湿蒸汽两相流的测量问题
• §1.1.2 大型电站锅炉煤粉气力输送状态监测问题
• §1.1.3 实验室中多相流速度场和粒度分布测量问题
• §1.1.4 课题的研究意义
• §1.2 多相流离散相速度和粒度测量方法
• §1.2.1 激光多普勒技术
• §1.2.2 声学多普勒测速技术
• §1.2.3 基于Mie散射的多相流测径测速技术
• §1.2.4 超声测量颗粒粒径技术
• §1.3 基于光学成像的多相流测速测径方法
• §1.3.1 粒子图像测速技术
• §1.3.2 高速摄影测量技术
• §1.3.3 基于单帧单曝光的流场图像测量技术
• §1.4 多相流离散相速度和粒度测量方法比较
• §1.5 论文的研究内容和主要工作
• 第二章 多相流离散相速度场和粒度的图像法测量原理和处理算法研究
• §2.1 多相流的基本方程
• §2.2 单帧单曝光运动模糊图像的成像本质
• §2.2.1 图像的数学表达
• §2.2.2 CCD和CMOS产生图像的机理
• §2.2.3 运动图像的数学描述和计算机实现
• §2.3 基于单帧单曝光图像法的速度、粒度测量方法
• §2.3.1 速度和粒度测量的基本思想
• §2.3.2 运动模糊图像的灰度分布特点
• §2.3.3 图像的边缘及判别
• §2.4 运动颗粒速度测量的图像算法研究
• §2.4.1 速度大小的识别
• §2.4.2 速度方向的识别
• §2.5 运动颗粒粒度测量的图像算法研究
• §2.5.1 基于图像逆滤波恢复的粒度测量方法
• §2.5.2 相关法测量颗粒粒径
• §2.5.3 其他因素对颗粒粒径测量的影响
• §2.6 基于分水岭算法的场测量技术研究
• 第三章 单帧单曝光图像法测量系统
• §3.1 光学成像系统
• §3.1.1 摄像物镜的光学成像特性
• §3.1.2 镜头的选择
• §3.1.3 镜头的分辨率、景深和光圈
• §3.1.4 本实验的光学成像系统参数选择
• §3.2 图像传感器
• §3.2.1 图像传感器介绍
• §3.2.2 面阵CCD的主要特性
• §3.2.3 CCD摄像机的选取
• §3.3 图像采集卡
• §3.4 光源系统
• §3.4.1 光源简介
• §3.4.2 本测量系统光源的选取
• §3.4.3 光源系统的改进
• §3.5 六维测量支架
• 第四章 图像法测量系统的实验室标定
• §4.1 工作距离处的标定
• §4.2 非工作距离处的测量偏差分析
• §4.2.1 静态实验样本
• §4.2.2 静态实验步骤
• §4.2.3 非工作距离处的测量偏差分析
• §4.3 静态实验测量误差分析
• 第五章 基于图像法的气固两相流测量研究
• §5.1 重力沉降实验装置
• §5.2 沉降速度的理论值
• §5.2.1 计算模型
• §5.2.2 Stokes解和阻力系数的关联式
• §5.2.3 数值解
• §5.3 重力沉降实验速度场测量结果
• §5.4 重力沉降实验粒度测量结果
• §5.4.1 不同光源对粒径测量的影响
• §5.4.2 粒径测量结果分析
• 第六章 基于图像法的液固两相流测量研究
• §6.1 实验装置设计
• §6.1.1 管道及测量窗与相机系统的耦合设计
• §6.1.2 泵参数设计
• §6.1.3 测量段设计
• §6.2 理论背景和研究现状
• §6.3 实验方案设计
• §6.4 二维圆柱绕流尾迹流场测量结果
• §6.4.1 不同光源对流场测量的影响
• §6.4.2 速度场处理流程
• §6.4.3 速度矢量场结果与分析
• §6.5 二维圆柱绕流尾迹颗粒粒度测量结果
• §6.5.1 不同光源对粒度测量的影响
• §6.5.2 粒度测量结果分析
• 第七章 全文总结及展望
• §7.1 全文总结和主要结论
• §7.2 后续的工作展望
• 附录
• 参考文献
• 在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果
• 致谢