一种基于非激光光源的气液两相流流场测量方法和系统

1.本发明属于流场测量技术领域，具体涉及一种基于非激光光源的气液两相流流场测量方法和系统。


背景技术：

2.随着气液两相流研究的不断深入，用以表达运动特性的方程和参数更加丰富，基本概念层出不穷，但由于现象复杂以及实验研究手段的局限，进展比较缓慢。由于工业领域在近年来的飞速发展，气泡流的相关研究受到了越来越多人们的重视。在气泡流的研究过程中，气泡的形状、分布情况、速度等参数都会促进对这种流动现象的物理本质更加了解。通过实验研究，有助于构建气泡流的数学模型和计算方法以及cfd验证数据集，这些对于更高效的工业生产设备设计相当重要。由于在气泡上升过程中会加速流动并引起湍流，因此为了生成精确的模型以及cfd验证数据集，液相速度测量的可靠性就显得尤为重要。
3.在传统的粒子图像测速和粒子追踪测速中，都是使用激光片光源对流场区域进行照明，激光片光源射入流场的方向与摄像机拍摄流场的方向垂直，使得摄像机所拍摄的就是激光片光源所照亮的平面区域。但是由于从侧面发射激光片光源，使得激光在粒子或者气泡表面所发生的散射、反射以及气泡产生的阴影，都可能存在于激光片光源照亮的平面区域内，对粒子本身在摄像机中的成像产生干扰，进而导致测量结果可靠性低以及数据不准确等问题。


技术实现要素：

4.本发明提供一种基于非激光光源的气液两相流流场测量方法和系统，将摄像机和非激光光源分别设置于流场对立的两侧，且摄像机拍摄方向与非激光光源照射方向相反，使得流场中位于摄像机景深范围内的的粒子阴影在摄像机中成像，且粒子阴影代表粒子自身进行后续的粒子图像处理，有效地避免由于激光在气相表面的散射和反射导致的测量不准确的问题。
5.为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
6.一种基于非激光光源的气液两相流流场测量系统，包括非激光光源、摄像机、图像处理设备以及均匀撒播于气液两相流流场的示踪粒子；所述非激光光源和摄像机分别设置于气液两相流流场的对立两侧，且非激光光源对流场的照射方向与摄像机对流场的拍摄方向相反；所述图像处理设备用于根据摄像机对气液两相流流场拍摄的连续帧图像进行处理分析，以得到气液两相流流场中各点的流速矢量。
7.进一步的，所述非激光光源采用达到预设亮度的led灯组或者卤素灯。
8.进一步的，摄像机在气液两相流流场中的拍摄景深范围为4～12mm。
9.一种基于非激光光源的气液两相流流场测量方法，包括：
10.s1，在气液两相流流场中均匀撒播示踪粒子，在气液两相流流场的对立两侧分别设置非激光光源和摄像机；
11.s2，使用非激光光源对流场待测量区域进行照射，使用摄像机对流场待测量区域进行连续帧拍摄，且非激光光源对流场的照射方向与摄像机对流场的拍摄方向相反，使得示踪粒子在明亮的背景上投射阴影；
12.s3，使用图像处理设备从摄像机获取对气液两相流流场的连续帧图像，并对连续帧图像中的示踪粒子进行相关匹配分析、追踪分析，得到示踪粒子的运动速度，即为示踪粒子所在流场位置的流速。
13.进一步的，所述非激光光源采用达到预设亮度的led灯组或者卤素灯。
14.进一步的，摄像机在气液两相流流场中的拍摄景深范围为4～12mm。
15.进一步的，在使用摄像机对流场待测量区域进行连续帧拍摄之前，先对摄像机的景深和视场进行调整，以将摄像机的拍摄区域调整至流场待测量区域；其中通过调节光圈、焦距、物距来对景深进行调整，并根据以下方式确定摄像机的实际景深，使摄像机机在气液两相流流场中最终的实际拍摄景深在预设范围内：
16.在流场待测量区域插入景深实验版画，以长度a为移动单位对实验版画进行前后移动，通过摄像机拍摄以记录每次移动后的实验版画图像，再对实验版画图像进行边缘增强处理，最后通过对比边缘增强处理图像的边缘以及移动单位a，确定摄像机当前的实际景深。
17.有益效果
18.本发明在流场中布撒示踪粒子，通过调节相机光圈、焦距、物距等参数将景深(dof)和视场控制在一个窄的范围内，构成一个清晰的薄体积流场区域，再使用非激光光源对该区域进行照明，使得示踪粒子在明亮的背景上投射阴影。通过持续摄影，粒子的阴影图像被摄像机记录并保存，然后图像处理设备采用自相关法、互相关法以及颗粒跟踪等方法处理粒子图像，计算出流场中各点的流速矢量，即根据需求反演出其他运动参量，比如流场速度矢量图、速度分量图、流线图等。本发明是利用粒子阴影成像，可以有效避免侧向照射的激光在气相表面的散射和反射导致的测量不准确的问题，从而提高粒子图像测速的准确性。
附图说明
19.图1是本技术实施例1所述测量系统示意图；
20.图2是景深原理图；
21.图3是本技术实验例对实际景深确定的示例图；
22.图4是粒子图像测速的两种觉图像分析方式；
23.图5是对图像处理进行速度测定的流程图。
具体实施方式
24.下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明的技术方案为依据开展，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，对本发明的技术方案作进一步解释说明。
25.实施例1
26.本实施例提供一种基于非激光光源的气液两相流流场测量系统，如图1所示，包括非激光光源、摄像机、图像处理设备以及均匀撒播于气液两相流流场的示踪粒子；所述非激
光光源和摄像机分别设置于气液两相流流场的对立两侧，且非激光光源对流场的照射方向与摄像机对流场的拍摄方向相反；所述图像处理设备用于根据摄像机对气液两相流流场拍摄的连续帧图像进行处理分析，以得到气液两相流流场中各点的流速矢量。
27.进一步的，所述非激光光源采用达到预设亮度的led灯组或者卤素灯，或者其他非激光光源。摄像机在气液两相流流场中的拍摄景深范围为4～12mm。为了保证摄像机拍摄的连续帧图像的清晰度，一般采用高速摄像机，具体根据实际要求对拍摄帧频进行设定，一般最小帧频可设置为30fps，最高可设置成几千fps。
28.实施例2
29.本实施例提供一种基于非激光光源的气液两相流流场测量方法，应用实施例1所述的测量系统，包括以下步骤：
30.s1，在气液两相流流场中均匀撒播示踪粒子，在气液两相流流场的对立两侧分别设置非激光光源和摄像机；
31.s2，使用非激光光源对流场待测量区域进行照射，使用摄像机对流场待测量区域进行连续帧拍摄，且非激光光源对流场的照射方向与摄像机对流场的拍摄方向相反，使得示踪粒子在明亮的背景上投射阴影；
32.进一步地，在使用摄像机对流场待测量区域进行连续帧拍摄之前，先对摄像机的景深和视场进行调整，以将摄像机的拍摄区域调整至流场待测量区域；其中通过调节光圈、焦距、物距来对景深进行调整，并根据以下方式确定摄像机的实际景深，使摄像机机在气液两相流流场中最终的实际拍摄景深在预设范围内：
33.在流场待测量区域插入景深实验版画，以长度a为移动单位对实验版画进行前后移动，通过摄像机拍摄以记录每次移动后的实验版画图像，再对实验版画图像进行边缘增强处理，最后通过对比边缘增强处理图像的边缘以及移动单位a，确定摄像机当前的实际景深。
34.s3，使用图像处理设备从摄像机获取对气液两相流流场的连续帧图像，并对连续帧图像中的示踪粒子进行相关匹配分析、追踪分析，得到示踪粒子的运动速度，即为示踪粒子所在流场位置的流速。得到各示踪粒子的流速后，即可根据需求反演出流场的其他运动参量，比如流场速度矢量图、速度分量图、流线图等。
35.本发明对连续帧图像中的示踪粒子进行相关匹配分析、追踪分析以得到示踪粒子的运动速度的具体技术手段，采用粒子图像测速和粒子追踪测速的现有常规技术手段，本发明不做具体限制。
36.下面通过实验实例对本发明作进一步解释以便理解方案：
37.一、示踪粒子的选择和布撒
38.示踪粒子要求无毒、无害、化学性质稳定、清洁、密度与液相密度接近且不溶于液相等特征。除此之外，例子还需满足三个基本要求：在实验中示踪粒子对流体运动需要具有良好的跟随性；粒子需要选择合适以便粒子阴影能够清晰成像且不影响测量精度；粒子布撒均匀性和浓度要求，以能保证取得足够的流场信息为准。
39.示踪粒子布撒与流动显示的布撒要求不同。在一般流动显示中，粒子一般要求局部布撒来显示流动结构，如为展示漩涡和混合流动，一般需要将粒子布撒和注入在剪切界面区，以便能展示剪切层及其发展演化，反过来若全场布撒就难以直观显示流动结构。对
piv全场测速讲，只有示踪粒子存在的区域才能测速，因而需要对流场均匀布撒示踪粒子，才能保证全流场取得速度测量。然而在实际操作时，粒子的布撒并不简单，有时需要观测的区域会没有粒子或缺少粒子，如气相边界处、边界层贴近壁面区域和因存在离心力、速度梯度等粒子难以存在的区域，粒子越大。
40.在进行实验时，不仅需要全流场均匀的布撒示踪粒子，还对粒子的浓度有一定的要求。粒子浓度不能太高，粒子浓度高会对流动本身产生一定的影响。粒子浓度也不能太低，因为测速是对流场中每一点的测速，离子浓度太低会使得判读区域内没有足够的粒子对数，从而无法通过统计分析法求得正确的位移量。
41.对于不同的流动介质，一般需要采用不同的粒子及布撒技术。对于水的流动一般采用无浮力的固体粒子，如密度接近于水的聚苯乙烯(psp)等有机材料，也有密度满足条件的镀银空心玻璃微珠，但由于其粒径难以做得很小，因此一般不使用。示踪粒子一般都是直接布撒在水中，然后再搅拌均匀，如在鼓泡塔、水槽、循环水洞，可以根据实验需求不断的添加示踪粒子，直到粒子浓度合适为止。对大型的设备，粒子虽容易施加，但清除十分困难。
42.以对示踪粒子的要求，均属于现有技术在粒子图像测速的常规要求。
43.二、景深的确定方法
44.1、参考图2所示，按以下理论景深的计算公式对景深进行初步调整：
45.前景深：
46.后景深：
47.景深：
48.其中，δ——容许弥散圆直径，f——镜头拍摄光圈值，f——镜头焦距，l——拍摄距离。
49.由景深计算公式可以看出，景深与镜头使用光圈、镜头焦距、拍摄距离以及对像质的要求(表现为对容许弥散圆的大小)有关。这些主要因素对景深的影响如下(假定其他的条件都不改变)：
50.(1)镜头光圈：光圈越大，景深越小；光圈越小，景深越大；
51.(2)镜头焦距：镜头焦距越长，景深越小；焦距越短，景深越大；
52.(3)拍摄距离：距离越远，景深越大；距离越近，景深越小。
53.2、实际景深的确定
54.在按理论计算值对景深进行调整时，实际得到的景深与理论值一般都会有一定偏差，因此需要进一步确定实际景深，在实际景深不符合要求时再微按理论计算式对景深进行微调，直到实际景深符合要求。
55.本实验中对实际景深的确定方法为：在流场中插入景深实验版画(如图3(a)所示)，以1mm为单位前后移动实验版画并且通过相机拍摄记录每次移动后的实验版画图像(如图3(b)所示)，然后通过过滤边缘强度，最后根据图3(c)所示的边缘检测增强后的图像来确定实际景深。如图3(c)中从左到右的图片由于距离不同，清晰度不同，且版画中间网格的位置也有偏差，其中第四张图和第五张图最为清晰，从第四张图位置移动1mm后版画方格无上下位置偏差且依然清晰，由此可确定此时景深为1mm。
56.三、图像的获取
57.在实验过程中，一般使用的图像分析方式如图4所示两种，其中(a)图是双帧分析模式，(b)图是连续分析模式。前者以一对图像作为最小元进行分析，图像帧之间的时间间隔可以做到几百纳秒甚至更小，但帧频一般较低，一般为30fps；而连续帧分析以相邻时刻的两幅图像进行分析，帧频很高，可达到上万帧，但帧之间的时间间隔在保证粒子能够清晰分辨的额基础上一般很少低于100us。根据这两种分析方式的特点，在对高速运动进行瞬态分析时常采用双帧分析模式，而对目标流场进行周期性运动分析时选择连续分析模式会比较适合。无论是使用双帧模式还是连续分析模式，为了能够让示踪粒子清楚成像均需要高亮光源进行配合。实验中一般使用led灯组或者卤素灯等非激光光源。
58.图像采集系统决定了可获得图像的速度和精度。实验一般采用高速摄像机，可对流场进行持续摄像，并且可以根据具体实验要求对拍摄帧频进行设定，一般最小帧频可设置为30fps，最高可设置成几千fps。
59.瞬时速度场的确定分几个步骤完成的。首先，对每个询问区域确定两个预测器位移。第一个预测器δxs用预定义的询问区域大小确定，而第二个预测器δx
l
用定义像素大小的两倍确定。大的预测器捕获的粒子数量更高，但是大预测器对粒子在平面内的位移不太敏感。而附加使用较小的询问区域的优势在于可以在不接触掩膜区域的情况下，更接近气泡表面来确定预测器。
60.四、图像速度测定流程
61.速度测定过程如图5所示。对图像进行预处理，生成询问区网格，确定位移。为了计算相关矩阵，使用快速傅里叶变换(fft)方法：
[0062][0063]
其中i(a)和i(b)分别表示时刻t0和时刻t
0 δt
时刻的两个灰度值强度分布。采用傅里叶变换可以大大节省计算成本。
[0064]
在确定了预测器之后，使用邻域速度的中值评估对预测器进行验证，并根据归一化相关系数高度为每个询问区域选择最佳预测器x。然后使用中心差分询问(cdi)方法来移动询问区域，相比于一阶精度的前向差分询问(fdi)方法，该方法具有二阶精度。cdi方法将第一幅图像中的询问区域向后移动而将第二幅图像中的询问区域向前移动利用双线性插值得到了新的询问区域的强度分布，并重新确定了新的位移。
[0065]
对于具有较小预测器δxs的询问区，只有当校正后的相关系数高度和第二高相关峰的比例比预测器增加时，才会在预测器中增加新的确定位移。因此，刚刚位移有了可测量的改善添加到预测器中，以避免添加可能的假位移。
[0066]
具有较大预测器δx
l
的询问区域在cdi步骤之前被细化到较小的尺寸，并且新的确定的位移总是添加到预测器位移中。如果这些审问区域的大小不被细化，结果的速度场将显示计算速度为不同大小的审问区域。
[0067]
在用前面描述的步骤确定速度场之后，使用多帧步骤来增加速度测量的精度和动态范围。小位移预测器的确定受到图像分辨率和两幅连续图像之间的时间步长的限制，这意味着不能捕获每个时间步长小于一个像素的离散位移。通过使用间隔时间较长的图片，
例如序列的第一张和第三张图片，可以降低最小可捕获离散位移，并可以为小位移确定更准确的预测器。多帧选项应用于位移低于一个像素的所有询问区域。在这些已识别的区域，利用记录序列中的后期图片，用cdi方法重复测定位移。如果位移仍然太小，则重复这一步骤，直到所有区域都表现出足够大的位移或到达序列的最后一帧。虽然这一过程提高了小位移的询问区域的准确性，但与使用序列中的另一幅图像获得的速度相比，得到的速度代表了不同时间长度的平均值。这可能会影响紊流参数的确定，而平均速度不应受此影响。
[0068]
最后，根据所确定的向量的邻域再次对其进行验证，并插值去除了速度和由多帧步长导致的剩余位移过小的询问区域。由于在高孔隙率区域内的向量，如气泡群，只显示很少的周围速度信息，距离加权的8点邻域被用来验证和插值。
[0069]
以上实施例为本技术的优选实施例，本领域的普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进，在不脱离本技术总的构思的前提下，这些变换或改进都应当属于本技术要求保护的范围之内。