垂直管道中氣泡運(yùn)動(dòng)軌跡圖像預(yù)測(cè)方法

【摘要】文在總結(jié)分析氣液兩相流參數(shù)檢測(cè)發(fā)展、數(shù)字圖像處理技術(shù)、數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)、二維數(shù)字式粒子圖像測(cè)速技術(shù)以及相機(jī)各種標(biāo)定方法后，對(duì)透明垂直立方水槽中的單個(gè)或兩個(gè)氣泡的特征進(jìn)行研究。并且通過(guò)測(cè)量空間距離誤差對(duì)相機(jī)標(biāo)定的結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，通過(guò)氣泡的質(zhì)心坐標(biāo)和相機(jī)標(biāo)定模型計(jì)算出氣泡的三維測(cè)量坐標(biāo)，再根據(jù)兩氣泡之間的時(shí)間間隔計(jì)算出氣泡的速度矢量。

【關(guān)鍵詞】氣液兩相流；氣泡特征；數(shù)字圖像處理；三維測(cè)量

Ab：Based on the summary analysis of the development of detection of the parameters on Gas-liquid two phase flow，Digital image processing technology，Mathematical morphology，two-dimensional digital particle image velocimetry，varieties of calibration based on camera.This article studied the characteristics of the single or two bubbles in transparent vertical cubic tank.. And we gived the basic steps of calibration algorithm.According to Tsai two-step calibration the calibration of the CCD camera， space impact of measurement error on the camera calibration results were validated， combined with bubble centroid coordinates and camera calibration model bubbles in space coordinates in the coordinate system， next time we're on the bubble images calculated velocity vectors and size of the bubbles.

Key words: gas-liquid two-phase flow digital image processing-dimensional coordinate; features; velocity and size

目前，在氣液兩相流流體的研究中，最主要的問(wèn)題在于氣液兩相流流場(chǎng)的檢測(cè)，我們期望有一種方法，能夠檢測(cè)氣液兩相流中氣泡的分布情況以及氣泡的行為狀態(tài)，特別是希望能夠測(cè)量出氣泡在管道內(nèi)壁附近的分布情況，最后能夠檢測(cè)出氣液兩相流中氣泡的流動(dòng)趨勢(shì)。本文提出了一套新的氣液兩相流中氣泡特征參數(shù)的測(cè)量方法，可以測(cè)量出氣液兩相流中氣泡生長(zhǎng)過(guò)程中的形狀、體積、上升的速度等特征參數(shù) 。在本次試驗(yàn)操作當(dāng)中，主要用到的實(shí)驗(yàn)設(shè)備儀器有：氣泡生成器證、激光光源、ccd攝像機(jī)，透明立方體水槽證，圖像采集由一臺(tái)CCD攝像機(jī)和四面平面鏡構(gòu)成，一對(duì)位置固定的平面鏡，兩平面鏡相對(duì)于裝置左右對(duì)稱。水槽和CCD攝像機(jī)位于縱向?qū)ΨQ軸上，如果激光光源照射到水槽中，使得氣泡發(fā)亮，氣泡此時(shí)向外輻射光線，經(jīng)此CCD攝像機(jī)中可得到來(lái)自兩個(gè)對(duì)稱方向上的氣泡投影證。

一、攝像機(jī)采集系統(tǒng)標(biāo)定誤差實(shí)驗(yàn)

攝像機(jī)圖像采集系統(tǒng)的圖像標(biāo)定分為兩部分，兩側(cè)虛擬攝像機(jī)采集對(duì)應(yīng)側(cè)位置的圖像。

可以使用基準(zhǔn)球來(lái)檢驗(yàn)攝像機(jī)采集系統(tǒng)的標(biāo)定準(zhǔn)確度參數(shù)是否滿足實(shí)驗(yàn)要求，即計(jì)算出測(cè)量到的兩個(gè)基準(zhǔn)球相對(duì)位置數(shù)值與與圖像采集系統(tǒng)檢測(cè)到的位置數(shù)值之間的差值，測(cè)量后的偏差結(jié)果如圖1-1所示。坐標(biāo)點(diǎn)個(gè)數(shù)為橫向坐標(biāo)，兩種情況下的差值為縱向坐標(biāo)。

圖1-1實(shí)際虛擬測(cè)量偏差

二、提取立方水槽中氣泡特征參數(shù)

本實(shí)驗(yàn)中，排氣孔選取立方水槽底部半徑最小的兩個(gè)圓孔排出氣泡各放置一個(gè)照明用燈泡，置于左右兩個(gè)氣泡視場(chǎng)，便于用數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)圖像進(jìn)行處理，使得實(shí)驗(yàn)可以更加容易分割出氣泡圖像，準(zhǔn)確計(jì)算特征參數(shù)。由此，根據(jù)已經(jīng)標(biāo)定出的攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)以及虛擬攝像機(jī)之間的旋轉(zhuǎn)矩陣 R 和平移向量 T，進(jìn)行三維重建，提取氣泡質(zhì)心的三維空間坐標(biāo)。根據(jù)兩個(gè)氣泡的三維空間坐標(biāo)信息和應(yīng)用Matlab圖像處理軟件畫(huà)出兩個(gè)氣泡在透明立方水槽中速度的方向。

結(jié)論：氣液兩相流工程應(yīng)用效果，在很大程度上取決于氣泡運(yùn)動(dòng)形態(tài)以及分散相和連續(xù)相之間的相互作用，電廠熱循環(huán)用水管道中水中氣泡的管道壁附近的分布情況直接影響管道壁的受熱；氣泡在管道中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和規(guī)律影響管道的受力和受熱；化工流化床、鼓泡塔等反應(yīng)裝置中的物質(zhì)混合、熱量交換以及化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，氣泡的大小分布及上升速度決定了有效傳質(zhì)面積影響反應(yīng)效率。目前對(duì)于氣泡特征參數(shù)的提取、氣泡速度的測(cè)量主要在二維平面上，為了更好地研究氣液兩相流中的氣液各種特性，更準(zhǔn)確地表達(dá)氣液的運(yùn)動(dòng)特征，并由此指導(dǎo)生產(chǎn)過(guò)程及實(shí)踐，往往需要獲得氣泡特征參數(shù)的三維信息。本文提出的新方法是一種可行的氣泡檢測(cè)方法。

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作者簡(jiǎn)介：

沈繼忱(1954-)，男，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事檢測(cè)技術(shù)方向的研究。