基于灰度自相关和差异化的速度/粒径同场测量研究

论文摘要

燃油喷雾的雾化特性是影响内燃机燃烧的重要因素之一,雾滴颗粒直径和速度特性的瞬时同场测量对于研究燃油微观雾化机理具有重要意义。为此,本文提出了一种基于灰度自相关和差异化的速度/粒径同场测量技术。对流场进行两次不同时长的曝光,使单个粒子对应两次曝光在数字相机上形成的两个粒子像点所包含的所有像素灰度总和(简称:两个粒子像点灰度和)的具体数值不同,根据不同数值灰度和的比值与曝光时间比之间的对应关系来配对两个粒子像点;然后,利用配对的两个粒子像点的位置坐标来计算粒子速度大小,粒子速度方向由两个粒子像点的不同灰度和来加以判断,另外,两个粒子像点灰度和的差值则被用于粒子粒径的计算。论文介绍了基于Mie散射理论推导的理论模型、硬件成像系统的组成,图像处理配套软件处理流程和具体算法、理论模型的实验验证、低速实际流场的速度/粒径同场测量以及相应的误差影响因素分析。理论模型的验证实验表明粒子像点灰度和与曝光时间以及粒子粒径的对应关系符合理论模型。低速流场分别添加35μm和75μm标准粒子,保持1.98mm/s的匀速定向流动。速度测量结果表明,相对于预设速度的最大误差在10%左右,相当于±2个像素的误差水平;速度方向判定正确,速度分布能够体现流场运动趋势。粒径测量结果的最大误差接近15%,略大于标准粒子本身7.8%和5.8%的变异系数。以流场中的粒子为测量对象,以粒子侧向散射光为测量基础,作为一种全新的测量技术,该速度/粒径同场实时测量方法具有一定的可行性和测量结果的可信度,可进一步发展以用于燃油喷雾的速度/粒径同场测量。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 速度测量方法
• 1.2 粒径测量方法
• 1.3 速度/粒径同时测量的一般方法
• 1.4 基于PIV 系统的粒子图像速度/粒径同场测量方法
• 1.4.1 PIV 速度测量中的图像处理技术
• 1.4.2 图像法
• 1.4.3 激光干涉法ILIDS
• 1.4.4 MSI、GSI、GSV
• 1.5 本文研究的意义以及研究内容
• 1.5.1 本文研究的基础背景
• 1.5.2 本文研究的主要内容
• 1.5.3 本文研究的意义
• 2 基于灰度自相关和差异化的速度/粒径同场测量方法的理论基础及其验证
• 2.1 前言
• 2.2 粒子速度测量的理论模型
• 2.2.1 单个粒子像点灰度和的理论计算式
• 2.2.2 粒子两次曝光所成像点的配对模型
• 2.2.3 粒子速度计算模型
• 2.3 粒径测量的理论模型
• 2.3.1 粒子散射光强的近似解
• 2.3.2 粒径与粒子像点灰度和的关系
• 2.3.3 粒径计算模型
• 2.3.4 采用粒子像点灰度和差值计算粒子粒径的具体说明
• 2.4 速度/粒径测量理论模型的实验验证
• 2.4.1 粒子像点灰度和与曝光时间对应关系的宏观表现
• 2.4.2 粒子像点灰度和与曝光时间对应关系的微观表现
• 2.4.3 粒子像点灰度和与粒子粒径的对应关系
• 2.5 理论模型及其推导过程的附加说明
• 2.6 小结
• 3 基于灰度自相关和差异化的速度/粒径同场测量方法的实验系统组成以及图像处理方法的模拟验证
• 3.1 前言
• 3.2 系统硬件组成
• 3.3 图像处理软件
• 3.3.1 图像采集功能
• 3.3.2 粒径计算系数K 值标定功能
• 3.3.3 粒子速度/粒径信息提取功能
• 3.4 图像处理方法的模拟验证
• 3.4.1 平移流动的模拟验证
• 3.4.2 旋转流动的模拟验证
• 3.5 小结
• 4 低速实际流场初步的速度/粒径同场测量
• 4.1 前言
• 4.2 实验系统和实验参数
• 4.3 流场双曝光图像的预处理
• 4.4 粒子速度/粒径的初步测量结果
• 4.4.1 单幅流场双曝光图像的初步测量结果
• 4.4.2 粒子速度的初步测量结果
• 4.4.3 粒子粒径的初步测量结果
• 4.5 小结
• 5 误差分析与图像处理参数的选取
• 5.1 前言
• 5.2 影响粒子速度/粒径测量结果的硬件系统误差因素
• 5.2.1 激光片光脉冲光强分布的均匀性
• 5.2.2 激光器输出功率的稳定性
• 5.2.3 数字相机的性能指标
• 5.3 图像处理软件参数对测量结果的影响及其取值依据的确定
• 5.3.1 边缘检测灰度阈值对粒子像点识别结果的影响
• 5.3.2 边缘检测灰度阈值的取值依据
• 5.3.3 边缘检测灰度阈值对速度/粒径测量结果的影响
• 5.3.4 灰度比容差
• 5.3.5 位置容差
• 5.4 小结
• 6 低速实际流场修正处理后的速度/粒径同场测量
• 6.1 前言
• 6.2 添加单一粒径标准粒子低速流场的修正测量
• 6.2.1 主要的修正处理和图像处理参数的具体设定
• 6.2.2 粒子速度的修正处理结果
• 6.2.3 粒子粒径的修正处理结果
• 6.2.4 激光片光厚度方向光强分布的修正
• 6.3 添加有两种粒径标准粒子流场的修正测量
• 6.4 速度/粒径测量范围及其影响因素
• 6.5 小结
• 7 全文工作总结及展望
• 7.1 全文分析和总结
• 7.2 创新点
• 7.3 下一步工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 参加的科研项目与获得的奖励