（流体力学专业论文）基于相分离的PIVPTV两相流测量技术研究及动态测量系统.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 两相流粒子图像测速技术是单相p i v p t v 技术的延伸和发展。由于 p i v p t v 技术都是针对单相流动的测量而产生的，若直接应用到两相或多相流 动的测量中将面临诸多困难，例如直接对两相流图像进行p i v 相关分析得到的 速度场将是连续相和离散相速度场的平均，与连续相和离散相各自的速度均有 较大的误差；而由于两相流图像中密度相对较大的连续相示踪粒子的存在，也 给p 1 r v 技术中的颗粒识别带来了很大困难。 本文为了克服上述困难，获得两相流中连续相和离散相各自的速度场分布， 在以往亮度分辨法和粒径分辨法的基础上提出了一种实用有效的基于灰度特征 阈值并依据颗粒粒径特征来进行图像分割的算法，进而实现对连续相和离散相 进行p i v p t v 技术相结合的两相流动测量技术。 同时，针对两相湍流流动中对动态流场和相干性研究的需求，本文还在此 算法编制的软件基础上，结合高速c m o s 相机和半导体连续激光器等设备，建 立起一套完整的基于相分离的p i v - p t v 两相流动态测量系统；并将该系统应用 到实际的液固两相射流实验中，通过对实验结果的讨论，就两相流瞬态流场流 动结构、速度分布以及液相瞬态流场速度场的演化和瞬态速度场的统计运算作 了初步分析，验证了本文所述的相分离算法和基于相分离的p p t v 两相流动 态测量系统的实用性和可行性。 关键词：相分离；两相流测量；动态p i v p t v 系统 v 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t t w o - p h a s e f l o wf i e l dp a r t i c l ei m a g ev e l o c i m e t r y t e c h n i q u ei se v o l v e df r o m t h ec o n v e n t i o n a lp a r t i c l e i m a g ev e l o c i m e t r y ( p 二p t v ) t e c h n i q u ei n s i n g l e - p h a s ef l o w a st h ep p t vt e c h n i q u ei sc o m m o n l yu s e dt om e a s u r e t h es i n g l e - p h a s ef l o w , i ti sv e r yd i f f i c u l tt ob ea p p l i e dt ot h et w o - p h a s ef l o wo r m u l t i p h a s ef l o wm e a s u r e m e n td i r e c t l y f o re x a m p l e , t h ev e l o c i t yf i e l d , w h i c h i sa c q u i r e db yt h ep c r o s sc o r r e l a t i o na n a l y s i st ot h et w o p h a s ef l o wi m a g e s i st h ea v e r a g eo fc o n t i n u o u sp h a s ef l o wv e l o c i t ya n dd i s p e r s e dp h a s ef l o w v e l o c i t y , a n d i tb r i n g so b v i o u se r r o rw i t he a c h p h a s e f lv e l o c i t y t h e p a r t i c l e - d e t e c t i o ni np t vt e c h n i q u ei sa l s oc o n f r o n t e dw i t hm a n yd i f f i c u l t i e s o w i n gt ot h ed e n s e l yd i s t r i b u t e dt r a c i n gp a r t i c l e so fc o n t i n u o u sp h a s e i no r d e r t os o l v et h e s ep r o b l e m si np r e s e n ts t u d y , w eb r i n gf o r w a r dan e w l y d e v e l o p e d p h a s e - s e p a r a t i o na l g o r i t h mu s i n gt h ep a r t i c l eg r a y - s c a l et h r e s h o l da n dt h e p a r t i c l ed i a m e t e r a r e r w a r d s ，t h es e p a r a t e dc o n t i n u o u sa n dd i s p e r s e dp h a s e i m a g e sa r et r e a t e db yp i va n dp t vm e t h o d sr e s p e c t i v e l y t h e r e f o r e , t h eo b j e c t o f t w o - p h a s ef l o wp p t vm e a s u r e m e n tt e c h n i q u ei sa c h i e v e d i na d d i t i o n , t h ed y n a m i cb e h a v i o ra n dt h ec o h e r e n to f t w o - p h a s ef l o wf i e l d i so ft h ei n t e r e s t so ft u r b u l e n ts t u d y t os u p p l yt h ed e m a n do ft w o - p h a s ef l o w t u r b u l e n tr e s e a r c h ad y n a m i ct w o - p h a s ef l o wp 二p t vs y s t e mi se s t a b l i s h e d w i t h h i g hs p e e dc m o sc a m e r a 、c w - l a s e ra n dt h e t w op h a s ef l o w m e a s u r e m e n ts o f l w a r eb a s eo ni m a g es e p a r a t i o n t h ep e r f o r m a n c eo ft h e a l g o r i t h ma n dt h ed y n a m i cp i 、7 ，y i vs y s t e ma r et e s t e db ya ne x p e r i m e n to f t w o - p h a s ei m p i n g i n gj e tf l o w t h ev e l o c i t yd i s t r i b u t i o na n de v o l u t i o no fs o l i d a n dl i q u i dp h a s ei n s t a n t a n e o u sv e l o c i t yf i e l d ，a n de n s e m b l ea v e r a g eo f l i q u i d p h a s ev e l o c i t y f i e l da l ec a l c u l a t e da n dd i s c u s s e d a sar e s u l t , t h e p h a s e - s e p a r a t i o nm e t h o di sv a l i d a t e da n dt h ed y n a m i cp 二p t vt w op h a s e f l o wm e a s u l c l n e n ts y s t e mb a s eo ni m a g es e p a r a t i o ni sp r o v e dt ob ee f f e c t i v e k e y w o r d s ：i m a g es e p a r a t i o n ；t w o - p l m s ef l o wm e a s a t r e m e n t ；d y n a m i c p i v p t v 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：丛日期：丛坚：互! ! 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名撩互导师躲丛敬嗍塑：王盟 上海大学硕士学位论文 1 1 课题来源 第一章绪论 本课题来源于上海市重点学科和上海市科委基础研究重点课题资助项目， 项目编号：y 0 1 0 3 和0 3 j c l 4 0 3 2 。 1 2 课题研究的目的和意义 两相流现象【i 】广泛存在于自然界以及水利、能源、石油、化工、环境、动 力等工业领域中，如泥沙沉降、原油开采、污水排放、浆料输送、粉尘测量、 气力输送等均属于两相流体的范畴；因此两相流现象的研究对科学理论和国民 经济的发展现实意义十分明显。由于两相流理论研究尚不完善，且缺乏实用有 效的两相流测量手段，本课题力图发展和建立的基于图像分割和p i v - p t v 方法 的两相流测量技术及动态测量系统，该课题对两相流研究将具有重要的意义和 实用价值。 1 2 1 两相流的定义、分类及主要研究方法 1 两相流的定义及分类1 2 】 相是具有相同成分和相同物理、化学性质的均匀物质部分，即相是物质的单 一状态，如固态、液态和气态。在两相流动的研究中通常称为固相、液相和气相。 一般来说，各相有明显的分界面。两相流就是指物质两相同时并存且具有明显相 界面的混合流动。 相的概念在不同学科中界定有所不同。 在多相流体力学中；从力学的观点来看，不同速度、不同温度和不同尺寸的 颗粒、液滴或气泡具有不同的力学特性，因此可以是不同的相。对于颗粒相大小 很分散的两相流，可以按颗粒大小相近的原则分组而使其动力学性质相似，不同 的组用不同的动力学方程来描述，这样的两相流也称为多相流。从物态的角度来 看，不同物态、不同化学组成、不同尺寸和形状的物质也可能属于不同的相。 多相流动中，把物质分为连续介质和离散介质。气体和液体属于连续介质， 称为连续相或流体相；固体颗粒、液滴和气泡属于离散介质，称为离散相或颗粒 相。连续相和离散相组成的流动称为两相流。这里离散相可以是不同物态、不同 上海大学硕士学位论文 化学组成和不同尺寸的颗粒，从而使复杂的多相流动简化。两相及多相流广泛存 在于自然界和工程中，常见的分为气液两相流、气固两相流、液固两相流、液液 两相流及多相流。 2 两相流的研究方法 两相流的研究方法同单相流体力学的研究方法一样，也分为理论研究、实验 研究和数值计算三种方法。由于两相流体力学理论研究相对滞后，两相流动现象、 机理和过程目前还不甚清楚，而数值模拟由于理论模型、初边值条件等与实际情 况的差异，难以准确模拟复杂的两相流动，许多工程问题大多依靠大量的观察和 测量建立起来的经验关系式，因此实验研究与测量在两相流领域占有十分重要的 位置。 3 实验研究方法 由于两相流的理论尚不完善，所以出现在动力、化工、机械、能源、宇航及 水利等工程领域中的两相流课题，实验研究起着主导作用。通过对两相流的实验 研究，一方面可以用精细的观察和测量手段，揭示流动过程中流场各处的流态或 流动特征：另一方面通过在实验中对流动参量的直接测量，可以提供各种特定流 动的物理模型。实验在两相流体力学的发展中具有先导性，在认识某一种流动状 态的特征和机制时具有关键性的意义和作用，如在观察气液、液固或气固两相流 的一维管道流动时发现随着两种成分的比例的改变，出现各种不同的流态【3 】。在 气液两相流中出现的不同流态如气泡流、柱塞流、弹性流、环状流和滴状流等 4 1 ； 而在水平管道中则出现气泡流、柱塞流、环状流、分层流和波状流等不同流态， 均是通过实验观察总结得到。 目前两相流实验中常用的测量技术有：粒子动态分析仪( p a r t i c l ed y n a m i c a n a l y z e r 简称p d a ) 以及全流场测量方法，如粒子成像测速技术( p a r t i c l ei m a g e v e l o c i m e t r y ，简称p i v ) 、粒子跟踪技术( p a r t i c l et r a c k i n gv e l o c i m e t r y ，简称p t v ) 等；但以上各种技术均有一定的局限性，如p d a 为单点测量，而p i v 或p t v 仅适 用于单相流测量，无法全面满足多相流动的研究要求。 1 2 2 课题研究的目的和意义 近年来，对两相流动的实验研究，趋向于采用p i v 或p t v 等全流场测量技术， 但p i v p t v 技术都是针对单相流动的测量而产生的，在两相或多相流动的测量应 用方面具有较大的局限性，如p i v 技术在对单相流动粒子图像进行互相关运算处 理时，实际上是对每一判读区域( i n t e r r o g a t i o nr e g i o n ) 内具有相近粒径、光强 2 上海大学硕士学位论文 和运动特性的大量示踪粒子的统计运算，获得的是对应判读区内示踪粒子整体的 平均运动特性，如平均速度；而在两相流动的粒子图像中，连续相的示踪粒子与 离散相颗粒的粒径、光强差别显著，且各自具有不同的运动速度、轨迹等特性， 如果直接对具有两相同时存在的粒子图像进行p i v 相关分析，最终获得的速度场 将是连续相和离散相速度场的平均，与连续相和离散相各自的速度均有较大的误 差。因此，为解决这一难题，我们希望利用图像处理中的图像分割技术，在对具 有两相同时存在的粒子图像进行速度场分析之前，进行前处理，将连续相的示踪 粒子和离散相颗粒图像分解成各自独立的图像，分别运算其速度场，从而实现对 两相的同时测量。通常，对于连续相而言，示踪粒子密度较大，适用于p i v 运算， 而离散相的颗粒浓度远远低于连续相的示踪粒子浓度，难以满足进行p i v 运f _ 算所 要求的粒子密度；因此对图像分离后的离散相颗粒运动，我们将采用p t v 技术测 量其速度，对于图像分离后的连续相示踪粒子，采用p l y 技术测量其速度。最终， 在图像分割( 相分离) 的基础上，实现p i 、，p 1 、，技术结合的两相流动测量技术。 同时，两相流动往往伴随着复杂的湍流现象，而传统p i v p t v 设备采样频率 低，难以满足对两相湍流相干性研究的需求；因此，本课题在实现基于相分离的 p r v 伊t v 两相流分析算法和软件的基础上，结合高速c m o s 相机和连续激光器， 建立一套完整的动态两相流p 伊t v 测量系统，以适应对两相湍流研究的要求。 1 3 国内外研究概况 1 3 1 两相流实验测量方法研究 粒子动态分析仪p d a ( p a r t i c l ed y n a m i ca n a l y z e r ) 是8 0 年代以后由激光 多普勒测速仪( l d a ) 发展起来的一项可以同时测量流场中粒子的速度、粒径 和浓度信息的技术。一定条件下，球形粒子的直径同相位差成正比。因此，在 原有的激光多普勒测速系统上再加一个或两个光检测器和一套相位检测系统， 就可以从粒子多普勒散射光中的相位信息中得到流场中单个粒子的速度和粒径 信息，这就是粒子动态分析仪。粒子动态分析仪所增加的成本约为激光多普勒 风速仪的1 3 i 4 ，却可以用于单相或两相流动的测量，因此，过去仅能测量 单相流场的单激光多普勒测速仪已经逐渐被可测量两相流场的粒子动态分析仪 所替代。粒子动态分析仪的优点是：( 1 ) 可对液体流动或气体流动中的球形粒子、 液滴或气泡的尺寸、速度和浓度的实时测量。( 2 ) 对粒子尺寸、一维到三维流动 速度和粒子浓度进行同步、无接触实时测量。( 3 ) 可以对以超音速、几乎静止不 3 上海大学硕士学位论文 动或环流湍流中作反向流动的粒子的特性进行测量。( 4 ) 可进行测量的粒子尺寸 范围从微米级到厘米量级。其缺点与激光多普勒测速仪类似，价格昂贵，调整 技术复杂并且只能应用于单点测量【冠。 2 0 世纪8 0 年代由a d r i a n 和m e r z k i r c h 等1 6 - 9 1 发展起来的粒子图像测速技 术( p a r t i c l ei m a g ev e t o e i m e t r y ，简称p i v ) 逐渐成为两相流动测量的重要工具； 但由于传统p i v 是单相流场的测量工具，在两相流场测量应用中，仅在用于测 量离散相流速时，有一定效果，但是在两相同时测量或仅测量连续相时，则误 差较大，因此不完全适合两相或多相流研究。当图像中粒子浓度降低到一定程 度时，可以通过识别单个粒子并计算单个粒子的位移得到流场的速度，这就是 后来发展起来的粒子跟踪测速技术( p a r t i d et r a c k i n gv e l o e i m e t r y ，简称p t v ) 【lo j ； p t v 技术在两相流场测量中面临着与p i v 同样的困难。因此，人们通过对p i v 或p t v 技术的改迸和图像处理技术。发展出多种针对两相流涌量的全流场观测 手段。 1 3 2 两相流粒子图像测速技术研究进展 随着p i v 、p t v 等全场非接触式测速技术的发展，这些技术逐渐被应用于 两相、多相流研究。 1 p i v 技术的基本概述【1 卜1 4 1 p i v 技术是一种基于流场图像相关分析的二维流场非接触式测量技术。 p i v 技术的基本原理是：在流场中散播示踪粒子，用激光片光源照射所测流场 区域，摄取该区域粒子图像的帧序列，并记录相邻两幅图像序列之间的时间间 隔，进行图像相关分析，通过分析粒子的统计平均位移得到得到流体的速度场。 相关一般有自相关与互相关之分。关于粒子图像p i v 详细算法介绍请参阅相关 文献。 2 p t v 的主要算法研究 当流场示踪粒子浓度足够低，可以识别出单个粒子的位置时，流场适合于 进行p t v 测量。 p t v 技术测量颗粒速度的原理是基于多帧图像中同一颗粒相关的信息，即 首先确定每幅图像中各颗粒的中心位置，接着在这些连续的图像中确定相关粒 子，根据相关粒子在相邻帧图像中的位置差异( 中心距) 及相邻帧图像的时间 间隔，计算出该颗粒的运动速度；图像中所有颗粒的速度这样确定后就得到整 个流场的速度分布。 4 上海大学硕士学位论文 p 1 v 的主要算法可分为旧： ( a ) 灰度分析法：是一种早期的颗粒配对算法，现在已经较少被采用。灰度 分析法实现颗粒配对是通过两幅图像的灰度分布相似，并且需要计算互相关系 数的数值( a d r i a n1 9 9 1 0 6 】) 、二次微分( q u a d r a t i cd i f f e r e n c e ) 的最小值( m e r z k i r c h g u i1 9 9 6 ”1 ) 或者通过计算总的灰度值或者灰度差( k a g a1 9 9 4 1 8 i ) 来得到。 ( b ) b i c c 算法f 1 9 - 2 0 ：算法涉及到二值图像的互相关原理( p 咖c i p l e o f b i n a r y i m a g ec r o s s c o r r e l a t i o nm e t h o d ，简称b i c c ) 。每一个颗粒的运动都被跟踪，粒 子速度按照相邻两幅图像中粒子的中心位移计算。该方法同样需要计算互相关 的数值。不过，由于其中参与计算的参数均已被二值化( 1 或者0 ) ，所以计算 速度比灰度分析法快很多。b i c c 可以用做实时的流体速度测量，在粒子速度 较少时效果很好，但它不能用于存在强变形的流场。 ( c ) s 鲥n gm o d a l 算法( o k a m o t o 2 1 1 ) ：该算法中颗粒的分布模式为：由相 邻颗粒围绕中心的目标颗粒形成多边形，并将两幅相邻的图像视作多边形产生 的弹性形变。两个图像的相似性通过计算假想中的弹簧系统张力来评价。流体 的旋转信息也可以通过这种算法获碍。这种算法能够对多种条件下的颗粒进行 配对，不过将产生少量的虚假速度向量。 ( d ) 4 f r a m e p 1 v 算法2 f r a m e p t v 算法：四帧p t v 算法【2 2 - 2 3 】通过考察相 邻图像中颗粒轨迹方向的改变来评价其平滑度。当颗粒浓度很小，以至于颗粒 之间的距离远远比颗粒的位移大的时候，配对成功率较高。两帧p 1 v 算法( b a e k & l 甜2 4 j ) 引入了匹配度的概念，为每个颗粒设立匹配度的初始值，然后用迭 代的方法在相邻图像中为对应颗粒寻找拥有最大的匹配度的颗粒，从而比四帧 p t v 算法进一步降低了对小颗粒数目密度的要求并增大了搜索的动态范围。 ( e ) 速度梯度张量( v g t ) 算法( i s h i k a w a 2 习) ：v g t 算法是一个全新的算 法。将连续的两幅图像重叠后，计算颗粒位置差距的最小平方，用以进行颗粒 配对。评价用的公式来自于泰勒展开式，其中包括速度梯度张量。这个方法也 被使用到低浓度颗粒的测量中。它不仅用于分析流体的平移，也可以获得流体 的形变( 如旋转，剪切，膨胀和压缩等) 信息。 我国在”v 技术方面也进行了一些相关的研究，如靳斌等( 2 0 0 0 ) 通过利用示 踪粒子在流场局域运动基本相同的事实，提出了一种利用示踪粒子群体运动特征 的p t v 算法，并给出了算法实旌的数据结构，用运动场模拟数据和实测数据进行 了验证【2 6 1 ；蔡毅等( 2 0 0 2 ) 采用人工智能中的模糊逻辑方法进行气固两相流动p t v 测量中的颗粒识别，因更多地模拟人脑的思维过程使得识别效率得到大幅度的提 高，同时，在识别过程中可以获取大量有关颗粒本身的信息，如形状和尺寸等，由 5 上海大学硕士学位论文 此可将气固两相流动中的不同尺寸的颗粒区分开。从而可实现对气固两相流动的 测量1 2 7 1 。 3 两相流粒子图像测速技术研究进展 当流场中同时存在离散相颗粒和连续相示踪粒子时，单相p i v 或p t v 技术 均不能满足两相同时测量的要求，需对单相p i v 、p t v 技术做进一步地发展和 改进。通过硬件改进或图像处理技术得到代表连续相的示踪粒子的位移和离散 相颗粒的位移，从而获得两相流场的速度分布。 目前对两相或多相流动的图像测速技术基本上分为两类方法： 第一种方法是通过硬件实现，在摄像头前加一层滤光片，只摄下示踪粒子图 像或颗粒图像。或采用两套光源系统；比如荧光标记法( t o k u h i r o 【2 8 1 等，t o w e r s 2 9 】 等) ，这种方法采用具有荧光标记染料的示踪粒子，通过区别不同波长的散射光， 分别提取出连续相和离散相的信息从而获得各相的流场速度分布；荧光标记法 要求带有荧光性的粒子和彩色的摄像机。通过硬件实现的两相或多相流动的图 像测速技术由于硬件价格昂贵，测量成本较高，并且测量时需要调试复杂的光 学系统，给测量带来诸多不便，所以较少使用。 第二种方法是通过一定算法处理所获取的两相流数字图像。通常通过图像 处理算法来分辨出示踪粒子和离散相颗粒的位移，一般采用不进行两相粒子 图像分离的手段和将包含两相粒子的图像分离从而得到不同相粒子图像的手 段，在将两相流各相粒子进行区分的基础上，再对各相进行p i v 或p t v 运算。 无需进行两相粒子分离的方法中，较为成熟的是一种被e d e l n o i j 命名为系 综相关两相p i v 算法的相问动力特性分辨法：该方法在单相p i v 技术基础上 直接推广，不需要进行分离示踪粒子和离散相颗粒，而是直接对包含两相粒子 的图像进行相关运算，求相关后可得到两个分别代表气相和液相的相关峰，这 种技术需要区分这两个相关峰哪一个属于气相，哪一个属于液相。e d e l n o i j 利 用两相间的动力特性差异( 即气泡与周围液体之间的滑移速度差) 来区分气泡 与示踪粒子( 需要用先验知识找出一块仅含示踪粒子的判读小区域，获得其位 移，然后将该位移与其相邻近的判读窗口得出的两位移进行比较，来确定各相 的位移) ，该方法算法相对复杂，并且需要用先验知识来选取一块仅含示踪粒子 的判读小区域，故不利于计算机独立对图像进行处理。 而需要通过对包含两相粒子的图像进行分离来得到不同相粒子图像再分别 处理的方法，根据其分离方法的不同，可分为以下几种主要方法： ( i ) 亮度分辨法：s a k a k i b a r a t 3 l 】等通过调整光度测定的参数，使所有示踪粒子 的成像像素灰度级都在图像最大灰度级的7 0 0 , 6 以下，这样示踪粒子的像素值都 6 上海大学硕士学位论文 比离散相颗粒的亮度高，即提高了两相颗粒在图像中的对比度，从而可以根据 它们成像灰度级之间的差异来进行相分离。亮度分辨法中提取离散相后，离散 相颗粒周围剩余的亮度较大的环状特征信息会给连续相的计算带来很大的噪 声；因而消除离散相提取后剩余的环状像素信息，就可以提高连续相速度场的 计算准确性。 ( 2 ) 粒径分辨法( g u i 和m e r z k i r c h l 3 2 1 ，王希斛3 如等，王元【矧等) ：这种方法主要 依靠分辨粒径的大小来区分不同相的粒子，即粒径分辨法是基于连续相示踪粒子 与离散相颗粒大小之间的差异来进行相分离的。在粒径分辨法中，一般采用一种 依赖闽值设定和颗粒大小鉴别的数字面具( d i g i t a lm a s k ) 技术：图像首先被二 值化分成灰度级不同的两部分，然后根据递归连通性算法对二值化后灰度级大部 分中的连通区域进行颗粒大小识别，从而分别得到示踪粒子和离散相颗粒的图 像。这种方法对两相颗粒的光学性能要求较低，但对阈值设定和颗粒大小识别有 着较高的要求。 ( 3 ) 空间频率分辨法( k i g e r 和p a n 3 5 ，q uj i a n w u 3 明等) ：首先将示踪粒子看 作图像中的高频噪声，并采用一种空间平均滤波器将其消除，来得到离散相的 图像信息，再根据原始图像和离散相图像求得连续相图像，从而实现了两相分 离的目的。 ( 4 ) 形状分辨法( o a l d e y 3 刀等，蔡晋掣3 8 等) ；这种方法根据离散相颗粒的形状， 采用比空间频率分辨法更复杂的空间滤波器提取或消除离散相的信息，然后重建 各相信息来计算各相的速度场分布。空间频率分辨法和形状分辨法对示踪粒子或 离散相颗粒有着较高的要求，并且空间滤波器的使用也增加了方法的复杂性。 通过上述方法的介绍，我们可以发现亮度分辨法和粒径分辨法都是建立在 对图像中各像素灰度级区别的基础上，亮度分辨法可以很容易进行阈值设定而 粒径分辨法也可以根据粒径的设置消除离散相提取后剩余的环状像素信息；因 此，本文拟在这两种方法的基础上采用一种同时基于灰度特征阈值并依据颗粒 粒径特征来进行相分离的方法，从而实现两相流粒子图像中连续相和离散相的 分离，为进一步地利用p i v p t v 方法进行速度场运算打下基础。 1 3 3 动态p i v p t v ( d y n a m i cp v c t ”r v ) 系统测速研究进展 在两相流动中往往伴随着复杂的湍流流动且流动具有较高的脉动频率。动 态p i v p t v 系统正是为了研究分析流场的动态信息而建立的瞬态p i v p t v 系统 3 9 - 4 0 。由于传统c c d 相机曝光时间和双脉冲n d ：y a g 激光器重复频率的限制， 7 上海大学硕士学位论文 这类p i v 系统能够测量的流场频率约为4 1 5 1 - i z ，远远低于所关心的湍流流场 的脉动特征频率，难以满足进行流场瞬态分析和相干性分析的要求【4 l 】。近年来， 随着成像技术的不断创新和发展，在采用高重复频率脉冲激光照明的同时，高 速摄像机已经能够获取较高时间频率的高速图像。并且不会降低图像的空间分 辨率。 动态p i v f r v 系统正是随着高速c m o s 摄像机的出现而建立起来的，以 满足对湍流相干性和瞬态特征研究的需求。它一般由高速c m o s 摄像机、高重 复频率脉冲激光器、扩束柱透镜、脉冲时间选择控制器、数据传输、控制计算 机等组成。目前，利用动态p 1 v 系统对流场进行测量和瞬态分析的研究还处于 起步阶段，但是动态p i v 系统相对于传统p i v 测量系统具有明显优势，如 s d h o n g 等通过使用动态p i v 系统对一个化学反应圆柱射流的瞬态流场现象的 研究表明，动态p i v 系统获取的可视化信息的时间分辨率是标准p i v 测量系统 的大约七倍 4 2 1 ；h ，h a y a m i 等将动态p 系统应用到一个水滴射流实验中发现不 稳定射流的波动被观察得更清晰，并且通过动态p i v 系统记录下的大量数据， 可以更好地分析流场的时空信息，更好地进行三维正交分解工作( 作为后处理) 去评估流场【4 1 】：k n i s h i n o 等将动态p i v 系统应用到水下圆柱碰撞射流( 雷诺数 为1 1 6 0 0 ) 的研究中，可以获得复杂湍流的水平和垂直断面瞬态流场信息( 时 间频率2 k h z ，分辨率1 0 2 4 x1 0 2 4p i x e l ) 【4 3 1 。 而在两相流动的研究中，尚未有利用高速动态p i v p t v 系统来获得实验 数据的报导，本文利用高速c m o s 相机和连续激光器，并结合两相流分析算法 和程序，建立起动态p i v p t v 系统，为进行两相湍流的研究提供一个有力工具。 1 3 4 课题研究的困难与设想 目前，在二维全场测速技术中，p 和p 1 弋，技术已经相对成熟，有关p 和 p t v 的算法现在也已经取得了很大进展：单相p i v 和p t v 技术已在湍流、分离流 和射流等实验研究的应用中取得了重要成果【3 3 1 。基于两相流图像处理技术的p i v 和p t v 技术的实现相比于单相流p i v 技术有许多困难： ( 1 )两相流数字图像处理不仅要分辨出代表同一相的颗粒在己知时间间隔里 8 上海大学硕士学位论文 的移动位移，而且要将代表不同相的颗粒区分开来，如何识别不同相的颗粒是两 相流图像处理中研究的重要问题之一。 ( 2 )在两相流数字图像实际处理中，受粒子的大小、形状以及灰度差异的影 响，图像通常都需要进行预处理，寻求一种合理的预处理是两相流图像处理首先 应该解决的问题( 合理的预处理操作应使两相流数字图像处理中接下来的粒子识 别和区分、图像相分离操作变得容易且不失真) 。 ( 3 )目前，两相数字图像处理中，一般都采用首先将连续相和离散相颗粒分 离开来的办法，因此寻找一种有效且快捷的相分离办法是两相图像处理技术中的 关键问题。 ( 4 )对脉频率较高两相湍流流动，传统p ，p t v 方法响应频率远低于湍流脉 动特征频率( 由于受激光脉冲重复频率低的限制) ，相邻图像速度场间相干性不 强或不具有相干性，不能满足湍流相干性研究的要求。 针对以上困难，本研究力图建立建立一种有效且快捷，易于实现的两相流相 分离算法，将分离后的连续相和离散相分别用p i v 和p t v 运算各自的速度场，编 制实现完整的两相流测量软件，最后利用此软件和高速c m o s 相机、半导体连续 激光器等设备，构建动态p i w p t v 两相流测量系统。 1 4 论文的主要研究内容 本论文内容一共分为四章。 第一章绪论。主要介绍了两相流的定义、分类、研究方法和课题研究目的 意义，阐述了两相流粒子图像测速技术的研究进展，分析了课题研究的困难， 概述了本文的结构和主要内容。 第二章两相流p i v - p t v 算法及相分离软件的实现。本章首先讲述两相流图 像分割算法及软件的整体编程思路，然后就程序中对两相流图像分割的预处理、 基于灰度特征阈值并依据颗粒尺度的相分离算法、各相速度场运算、以及批处 理等部分进行一一描述，最后通过对电脑合成的标准图片的处理简单介绍软件 系统的具体功能和操作。 第三章动态两相流p 伊t v 两相流测量系统的建立及在实际流场测量中的 9 上海大学硕士学位论文 应用实例。本章首先讲述了动态p i v f i v 系统的构成，然后就液固两相的冲击 射流实验的装置配置、实验目的分别进行了论述，最后应用本文编制的两相流 测量软件对液固两相射流实验采集到的图像数据进行了运算处理，并通过对实 验结果的讨论，就两相流瞬态流场流动结构、速度分布以及液相瞬态速度场的 演化和瞬态速度场的统计运算作了讨论分析，以评估和验证相分离算法和动态 p 伊t v 系统的实用性。 第四章结论与展望。总结全文，并且提出了几个有待深入研究的问题。 i o 上海大学硬士学位论文 第二章两相流p i v - p t v 算法及相分离软件的实现 2 1 引言 随着激光技术和计算机技术的进步，p v 技术和p t v 技术已经得到了快速发 展；如上章所述。在两相流粒子图像测速技术中，寻找一种有效的分离图像中连 续相与离散相的图像处理方法是两相流p 伊t v 测量中的关键问题。本课题将开 发和建立有效的相分离图像处理算法，进而利用目前已经成熟的p w 和p t v 方法， 编制完整的两相流图像的处理程序( 其界面如图2 一l 所示) 实现以图像相分离 为基础的p 佃t v 两相流测量；而后将程序应用于对液一固两相冲击射流的测 量应用。本章内容主要介绍两相流p p t v 测量算法及图像处理软件的整体编程 思路，并就软件中对两相流图像的预处理、相分离、数据存储、各相处理以及批 处理等部分进行一一描述，屉后通过对电脑合成的标准图片的处理简单介绍软件 系统的具体功能和操作。 图2 1 两相p i v - p t v 图像处理软件操作界面 上海大学硕士学位论文 2 2 两相流图像分割一相分离算法及软件的整体编程思路 相分离两相流算法和程序的整体编程思路如图2 2 所示，程序主要分为图 像的预处理、相分离、各相速度场运算处理及结果显示和数据存储、批处理等 几个主要部分。作为对软件的初步测试，本章最后将对电脑合成粒子图像进行 处理运算，同时对比实测粒子图像处理结果，以评估软件的性能和误差。 2 2 1 图像预处理 对于流场数字化粒子图像，由于流场中粒子位置及粒径大小等原因，流场 中各粒子对光源的散射光强并不一致，图像中粒子的明暗程度不一，即它们的 灰度值不同。我们进行图像预处理所需要达到的目的是将这些明暗程度不均匀 的粒子都明显的显现出来，使得接下来的粒子识别和区分、图像相分离变得容 易且不失真 4 4 j 。程序中图像预处理主要包括图像的边缘检测，图像的二值化两 个方面： ( 1 ) m 像预处理中使图像的轮廓更加突出的图像处理方法叫做边缘检测或 边缘增强1 4 5 1 。边缘增强是一种重要的区域处理。在对悬浮颗粒图像进行特征提 取之前，一般都需要先进行边缘检测，然后再进行二值化处理，因此在程序中 相分离之前我们应该先对图像进行边缘增强处理。所有边缘增强的方法都削弱 了图像的低频部分，处理后图像的亮度保持不变，像素值变化缓慢的区域变黑， 而像素变化剧烈的区域被突出；为了保护实验所采集图像的像素值不变，我们 仅在相分离程序的代码前加入边缘检测代码，而图像分离后所保存的图像均为 实验采集时图像的像素值。程序中我们采用了s o b e l 边缘检测，这种边缘检测 的办法是一种非线性的边缘检测算法，效率很高，用途很广。s o b e l 边缘检测的 基本方法是在x ，y 方向上分别使用不同的两个卷积核，如下所示： 一1ol lo2 1ol x 方向 12l oo0 一l 一2一l y 方向 1 2 上海大学硕士学位论文 图2 2 软件的整体编程框图 1 3 上海大学硕士学位论文 如果使用x ，y 方向卷积核得出的某一像素的卷积值分别为x ， 素的边界强度q 和方向a 可用如下公式计算： q = 厢 a = 一( 名) y ，则该像 ( 2 - s ) ( 2 9 ) 图2 - - 3s o b e l 边缘检测处理前后的效果对比( 左幽为处理前，右幽处理后) ( 左图原图像由西安交通大学王元教授提供) 如图2 3 所示，在对图像采用了s o b e l 边缘检测后，像素值变化缓慢的区 域变黑，图像中的低频部分得到了削弱，图像中的颗粒边界信息都得了加强； 从而进一步提高了我们进行颗粒识别和粒径区分的准确性，更有利于两相流图 像相分离的进行。 ( 2 ) 图像的二值化是图像预处理中的另外一个主要方面。本文在图像二值 化时采用了最大类问方差阈值分割法【删确定阈值，这种方法的基本思路是将直 方图在某一阈值处分割成两组，当被分割的两组的方差为最大时，即可决定图 像的阈值嗣。 设一幅图像的灰度值为1 - m 级，灰度值为i 的象素数为啊，此时我们得到： 总像素数：2 善咒； 各值的概率：霉= 啊n ( 2 一1 ) ( 2 - 2 ) 然后用k 将其分成两组c o = ( 1 4 ) 和q = 0 一l o ，各组产生的概率如下： k 岛产生的概率：峨= 易= ( 七) 扭i 1 4 ( 2 - 3 ) 上海大学硕士学位论文 q 产生的概率；q = 只= 1 一( 七) c o 组的平均值硒= 喜鲁= 器 q 组的平髓胪，萎。署= 锱 其中，= 慨是整体图像的平均值， ( 2 5 ) ， ( 2 呦 t 似) ；娩是阈值为k 时灰度的 i f f i l 平均值，所以全部采样的灰度平均值为= 胁+ q m ，两组问的方差用下式求 出： 盯2 = ( 硒一) 2 + q ( h 一) 2 = q ( 一一胁) 2 = ( 2 - 7 ) 从l m 间改变k 的值，求上式为最大值的k 值，即求m a x a 2 ( k ) 的f 值， 此时k 便是闽值。 2 2 2 图像分割一相分离 图像分割一相分离就是将两相流实验所采集的图像中连续相的示踪粒子和 离散相颗粒分割到两幅图片中，从而可以达到对不同相图像所代表的速度场进 行单独显示和运算处理。通过第一章关于相分离方法的介绍，可以发现单纯的 亮度分辨法或粒径分辨法都是建立在对图像中各像素灰度级区别的基础上，亮 度分辨法可以很容易进行阈值设定，而粒径分辨法也可以根据粒径的设置，消 除离散相提取后剩余的环状像素信息；但以上两种方法独立应用时，对原始图 像的质量要求较高且对低质量图像分割效果不佳。为此，我们在这两种方法的 基础上采用一种同时基于灰度特征阂值并依据颗粒粒径特征来进行相分离的算 法： 首先通过上一节讲述的最大类间方差法确定图像的灰度特征阈值k ，对于 高于阈值k 的部分设为l ，低于阈值k 的部分设为0 ，从而实现图像的二值化。 最大类间方差法应用的是图像灰度的统计信息，不需要手动设置参数，可以方 上海大学硕士学位论文 便计算机处理。 接下来我们将从二值化后设为l ( 白色) 的图像区域中把符合离散相颗粒 条件的区域选取出来，具体过程如下： ( 1 ) 首先我们给出离散相颗粒的约束条件( 最小半径r 和最小面积s = r r ) 并建立一个颗粒的存储结构体和一个行特征结构体，颗粒存储结构体成员初始 值均为0 ( 黑色) ，描述如下： l 曲： 组成颗粒的像素点最小的行坐标； l 一： 组成颗粒的像素点最大的行坐标； r m 缸： 组成颗粒的像素点最小的纵坐标： 【哼。：组成颗粒的像素所占的行数； p 。： 组成颗粒的像素的总数目。 行特征结构体成员描述如下： z o n e ：区域数目，即所在行当中，像素值为1 的连续的像素构成的区域块 的数目，如图2 4 所示，该行的区域块数目为3 ( 白色区域数目) 图2 4 行扫描时区域块图 l 【i 】 1 】：区域块的起始行坐标，i 表示第i 个区域块； l 【i 】 2 】：区域块的结束行坐标，i 表示第i 个区域块。 ( 2 ) 然后从上到下对二值化图像像素矩阵进行行扫描，如果该行所有像素的 值均为0 ，继续扫描下一行； ( 3 ) 如果当前行像素值不全为0 ，则对此行自左至右进行扫描；当遇到第一 个像素值为1 的像素时，记下这个像素的行坐标l 1 】 1 】；继续向右扫描该行， 直到遇到下一个像素值不为1 的像素时，记下它的前一个像素的行坐标l 1 】 2 】； 然后将l 1 l 1 、l 1 2 1 和上一行的行特征结构体中所有的z o n e 个区域块的起 始行坐标和结束行坐标进行比较，假设有区域块i 满足：l 【i 】 1 】 l 【l 】 1 】，我们就将i 这个区域块所在颗粒特征结构体成员做如下改变( 即 表明我们当前扫描的l 【1 】 1 】l 【1 2 】像素为该颗粒的一部分) ： 若l 【1 】 1 】 l n 。就把l 【l 】 2 】的值赋给k 。，否则l 啊。不被改变； l 噶。：自动加1 ； p 一： 加( l 1 【2 】一l 【l 】 1 】) 的值。 ( 4 ) 若在当前行的上一行找不到区域块i 满足：l i 】 1 】