泄洪洞反弧段流场气泡运动特性的图像测量与分析

论文摘要

气液两相流动是一种最复杂的两相流动,因为它具有可变形的界面和一个可压缩的气相,这类流动的研究甚多,开展的最早,但由于其难度大和受实验手段的限制,一直发展不快。近年来,数字图像测量技术因其具有高灵敏度、高分辨率、快速、非接触性测量等优点,已成为测量领域中一个新的研究热点。本文结合雅砻江高水头泄洪洞的掺气水流问题,研究实现了在高速水气两相流流场的图像测量。主要结论和成果如下:（1）根据雅砻江水电开发中的锦屏一级泄洪洞设计体型,按照1:100的比尺设计制造了泄洪洞反弧段物理模型;（2）根据《机床设计规范》设计并制作了图像测量所需的相机导轨,相机机架主要是由水平直线运动滑动导轨、横向丝杠、纵向直线滑动导轨及纵向丝杠组成,可以精确控制相机移动位置,精度达到1mm;（3）设计并制作了流场照明由LED阵列组成的面光源,配套了适用的电源设备;（4）设计并制作了微气泡生成装置,可产生直径为0.1-0.9mm之间的气泡;（5）在MATLAB环境下,完成了AVI格式的视频文件的读取,并应用数字图像处理方法对水气两相流图像进行处理,将其中的分散相（即气泡）提取出来,计算得到了局部流场中气泡个数、大小及形心坐标等参数。应用PTV算法正确匹配气泡,并获取速度,运动轨迹等参数。（6）通过计算,得到了流场中各过水断面的气泡大小的离散尺寸分布、气泡速度沿断面的变化规律、各个速度分量沿程变化规律,空隙率及气泡运动轨迹范围图。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 主要符号表
• 1 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 高水头泄洪洞反弧段掺气减蚀的研究现状
• 1.3 水气两相流测量的研究现状
• 1.4 本文的研究内容
• 2 模型设计与实验装置
• 2.1 实验装置设计及主要设备介绍
• 2.1.1 试验装置的制作原则
• 2.1.2 试验装置简介
• 2.1.3 图像采集系统
• 2.2 试验模型及几何尺寸
• 2.3 水箱的设计
• 2.4 高速相机机架的设计
• 2.5 微气泡装置的设计及其安装
• 2.6 小结
• 3 气泡的摄取及图像处理方法
• 3.1 气泡的摄取
• 3.1.1 电源的选择
• 3.1.2 光源及电路设计
• 3.1.3 相机位置的确定
• 3.2 数字图像的获取
• 3.3 图像前处理
• 3.4 图像的二值化
• 3.5 小结
• 4 泄洪洞反弧段流场两相流参数的图像测量
• 4.1 前言
• 4.1.1 坐标系的建立
• 4.1.2 速度分量定义
• 4.1.3 描述气泡运动的两种方法
• 4.2 反弧段水气两相流各参数的求解
• 4.2.1 水面线及水相流速
• 4.2.2 气泡参数的统计
• 4.3 反弧段单个气泡运动轨迹的测量
• 4.4 样本的选择
• 4.4.1 计算窗口的选择
• 4.4.2 图像帧数的选择
• 4.5 反弧段流场空隙率的量测及其计算
• 4.6 小结
• 5 试验数据及其结果分析
• 5.1 前言
• 5.2 反弧段单个气泡数据处理及其分析
• 5.3 反弧段流场水气两相流参数的测量结果及其分析
• 5.3.1 计算断面的选择
• 5.3.2 实验数据的整理及其分析
• 5.3.3 反弧段流场气泡运动轨迹范围
• 5.4 反弧段微气泡运动特性的研究
• 5.5 小结
• 6 总结与展望
• 6.1 研究结论
• 6.2 进一步研究工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录