一种基于丝网技术与高速摄像融合的气液两相流参数测量方法和系统

本发明属于多相流测量，特别是涉及一种基于丝网技术与高速摄像融合的气液两相流参数测量方法。

背景技术：

1、气液两相流参数的准确测量是核反应堆热工水力分析、油气混输管道运行调控、化工沸腾换热设备优化的核心基础，其中空泡份额、相界面浓度、气泡尺寸分布等参数更是数值模拟本构方程封闭的必要输入，测量结果的可靠性直接决定相关系统的安全设计与运行效能评估精度。目前能够实现管道全截面相态测量的成熟技术为丝网传感器，其通过交叉排布的电极阵列采集测量截面的电导率信号，输出欧拉视角的时序数据，可稳定获取管道全截面的二维空泡份额信息。若要进一步获取相界面浓度、气泡尺寸分布等需要三维几何信息支撑的参数，行业内普遍采用轴向布置两组间距极小的双层丝网方案，通过捕捉同一气泡经过两个截面的时间差，结合时序截面数据推算气泡轴向高度与体积，最终实现相关参数的间接计算。但该方案除存在计算量庞大、处理环节冗杂的效率问题外，还面临无法克服的原理性缺陷。管道内气泡运动存在显著的径向速度差异，中心区域的大气泡运动速度远快于近壁面的小气泡，而传统算法的核心假设是所有气泡匀速通过两个测量截面，采用统一的轴向时间位移进行时空换算，导致重构过程中大气泡位置非线性前移、小气泡滞后，同一物理高度的相界面在重构空间中出现解耦，引发严重的三维空间相位错位与拓扑扭曲，业内将这一现象称为动态滑移超前。该误差随测量时长呈指数级增长，属于丝网传感器从欧拉视角向拉格朗日视角转换的固有原理缺陷，无法通过优化硬件电路、提升采样频率等常规手段消除。

2、除电学测量路线外，高速摄像是几何精度最高的两相流测量技术，可真实记录流道表面的相态分布与气泡运动轨迹，常被用作其他测量技术的标定基准。但其受限于二维成像的视线积分效应，叠加高含气率工况下气泡重叠遮挡的干扰，仅能获取管道近壁面的流动信息，无法透视管道中心区域的复杂流场。在油气混输管道的高含气率工况测试中，高速摄像的有效观测区域仅占管道截面的35%至40%，中心区域完全处于视觉盲区。该局限源于光学成像的物理本质，同样无法通过提升相机分辨率、增加拍摄帧率等方式突破。

3、针对两类技术的固有缺陷，业内曾尝试多种优化路径，包括缩小双层丝网的轴向间距以降低滑移误差、为高速摄像搭配激光片光源以压缩观测景深，但上述方案均局限于单一技术框架内的参数调整，无法同时解决丝网的动态滑移问题与摄像的视觉盲区问题，也未出现将两类异源测量数据进行跨维度融合以修正测量偏差的成熟方案。当前两相流测量领域仍缺乏能够同时覆盖全截面流场、适配动态变工况、无需大幅改动硬件架构的高精度测量技术，相关参数的获取长期受限于单一传感器的原理性短板。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明旨在提出一种基于丝网技术与高速摄像融合的气液两相流参数测量方法和系统，以解决现有技术存在丝网的动态滑移问题与摄像的视觉盲区问题。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于丝网技术与高速摄像融合的气液两相流参数测量方法，所述方法包括：

3、在待测管道的同一测量段，同步采集丝网传感器输出的截面电导率时序数据以及高速摄像模组输出的流道表面图像序列；

4、根据所述截面电导率时序数据构建欧拉特征矩阵，并根据所述流道表面图像序列提取气泡形貌特征，构建拉格朗日特征矩阵

b；

5、定义一用于将时间维度映射至空间维度的时空映射矩阵

c，通过所述时空映射矩阵

c对所述欧拉特征矩阵执行坐标系变换，生成初始三维流场矩阵；

6、将所述初始三维流场矩阵沿所述高速摄像模组的观测光路进行投影降维处理，获得与所述拉格朗日特征矩阵

b维度匹配的二维比对矩阵；

7、以所述拉格朗日特征矩阵

b为约束真值，构建关于所述时空映射矩阵

c的损失函数，通过迭代优化更新所述时空映射矩阵

c，直至损失函数收敛，获得修正后的目标三维流场矩阵。

8、进一步的，还提出一种优选方式，所述生成初始三维流场矩阵的步骤中，坐标系变换的表达式为：

9、

10、其中，为基于时空映射矩阵

c的坐标系变换算子，

z为由时间维度

t经映射转换得到的轴向空间坐标，

x和

y为所述测量截面上的空间坐标。

11、进一步的，还提出一种优选方式，所述投影降维处理具体包括：

12、当所述高速摄像模组为单目相机时，沿所述单目相机的拍摄光路方向对所述初始三维流场矩阵进行空间离散求和运算，得到二维比对矩阵：

13、

14、其中，x为沿着于拍摄光路的坐标域，为该方向上的空间网格分辨率。

15、进一步的，还提出一种优选方式，所述损失函数的表达式为：

16、

17、其中，为对齐后的矩阵，为frobenius范数；为正则化惩罚项。

18、进一步的，还提出一种优选方式，所述迭代优化更新所述时空映射矩阵

c的步骤采用梯度下降法，其更新公式为：

19、

20、其中，为迭代步长，为损失函数关于矩阵

c的梯度，

k为迭代次数，代表在第

k次迭代时，计算得到的时空映射矩阵的数值状态，代表在第

k+1次迭代时，得到的新的时空映射矩阵的数值状态。

21、进一步的，还提出一种优选方式，所述同步采集的步骤中，通过硬件触发信号同时启动所述丝网传感器的数据采集通道和所述高速摄像模组的曝光快门，使得所述截面电导率时序数据与所述流道表面图像序列具有相同的起始时间戳和采样频率整数倍的时间对应关系。

22、进一步的，还提出一种优选方式，在所述构建拉格朗日特征矩阵

b之前，还包括对所述流道表面图像序列进行预处理，所述预处理包括灰度化校正、基于高斯滤波的去噪处理以及基于canny算子的相界面边缘识别。

23、基于同一发明构思，本发明还提出一种基于丝网传感器与高速摄像融合的气液两相流参数测量系统，包括：

24、丝网传感器，安装于待测管道的测量段，用于输出反映截面相分布的电导率时序数据；

25、高速摄像模组，设置于所述待测管道的透光观测窗外侧，用于采集流道表面的图像序列；

26、同步触发单元，分别连接所述丝网传感器和所述高速摄像模组，用于输出同步触发信号以控制两者的数据采集时序；

27、数据处理单元，用于执行如上述任一项所述的基于丝网传感器与高速摄像融合的气液两相流参数测量方法。

28、进一步的，还提出一种优选方式，所述丝网传感器为单层丝网结构，其轴向投影位置位于所述高速摄像模组的景深范围内。

29、进一步的，还提出一种优选方式，所述数据处理单元包括：

30、矩阵构建模块，用于根据所述电导率时序数据构建欧拉特征矩阵，并根据所述图像序列构建拉格朗日特征矩阵

b；

31、映射求解模块，用于存储时空映射矩阵

c并执行坐标系变换，生成初始三维流场矩阵；

32、优化修正模块，用于执行投影降维、残差计算及迭代优化操作，输出修正后的目标三维流场矩阵及基于该矩阵解算出的气泡尺寸分布与相界面浓度参数。

33、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

34、现有气液两相流测量技术中，丝网传感器的三维流场重构与高速摄像的二维观测属于相互独立的两条技术路线，二者的数据未被纳入统一的耦合框架，导致各自的原理性缺陷无法被对方弥补。丝网传感器的三维重构完全依赖自身多截面的时序采样数据，其时空映射规则为预设的固定算法，核心假设是同一时刻通过测量截面的所有气泡轴向运动速度一致，该假设与实际流动中气泡径向速度存在差异的物理规律相悖，也是动态滑移超前现象的根源。高速摄像的测量结果仅作为离线标定工具使用，未被用于丝网数据的在线修正，其自身的视线积分与遮挡缺陷也无法通过丝网数据得到补充。本发明构建的跨维度异源数据耦合逻辑，将丝网传感器的全截面欧拉测量优势与高速摄像的近壁面拉格朗日测量优势进行融合。丝网传感器输出的截面电导率时序数据包含全截面的相分布信息，但缺乏轴向空间的物理锚点，无法直接转换为准确的三维流场；高速摄像输出的近壁面图像序列可真实反映该区域气泡的运动轨迹与形貌特征，属于可直接采信的物理真值，但无法覆盖管道中心区域。本发明通过定义可迭代优化的时空映射矩阵，将丝网数据的时间维度采样序列转换为轴向空间维度的分布，生成初步的三维流场后，将该三维流场按高速摄像的观测光路进行投影降维，得到与高速摄像观测范围完全一致的二维比对数据，再以高速摄像输出的拉格朗日特征矩阵为约束，比对二者的特征差异，反向迭代优化时空映射矩阵的系数，使映射关系逐步贴合实际流场中气泡的径向速度分布规律，最终得到覆盖全截面的三维流场。整个过程中，高速摄像的真值数据承担了物理约束的作用，替代了传统方案中预设的均匀速度假设，从数据重构的源头避免了动态滑移超前的产生。

35、针对传统丝网传感器的动态滑移超前缺陷，本发明用高速摄像实测的气泡运动数据替代了传统方案中预设的均匀速度假设，时空映射关系可根据实际流场中气泡的径向速度分布自适应调整，无需强制要求所有气泡运动速度一致，重构过程中不会出现大气泡位置非线性前移、小气泡滞后的相位错位，从根源上消除了误差随测量时长指数增长的固有弊端。针对高速摄像的视觉盲区问题，丝网传感器本身具备全截面相态感知能力，经修正后的三维流场将高速摄像近壁面的有效约束推广至整个管道截面，无需升级光学系统参数，即可实现对管道中心60%以上区域的流场重构，有效扩展了光学测量的有效覆盖范围。硬件层面，本发明仅需单层丝网传感器即可实现三维流场重构，相较于传统的双层丝网方案，电极排布数量减少一半，降低了传感器对流场的侵入性，同时也降低了硬件安装、校准与维护的综合成本。参数解算环节，传统双层丝网方案需要完成气泡跨截面识别、匹配、拓扑重构等多个冗余步骤，本发明通过时空映射矩阵的迭代优化直接得到三维流场，省去了复杂的匹配与重构流程，计算量显著降低，基于三维流场直接提取的气泡三维尺寸、相界面浓度等参数，也避免了间接推算带来的累积误差。此外，由于时空映射矩阵可根据实时采集的异源数据进行迭代更新，当流场工况发生变化导致气泡速度分布改变时，映射关系可同步自适应调整，无需重新标定或调整硬件参数，可适配核反应堆变功率、油气管道变流量等多种动态工况的测量需求。