（工程热物理专业论文）循环流化床气固两相流动特性piv测试.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 本文采用p i v 系统对循环流化床锅炉冷态流场进行了试验研究，研究的主要 内容包括：循环流化床冷态流场粒子的速度分布特性，包括粒子的径向速度和轴 向速度分布：循环流化床颗粒的平均浓度沿径向和轴向分布特性：循环流化床颗 粒平均粒径的轴向和径向分布特性。 本文对国内外p i v 系统应用在流化床两相流及多相流的研究及其应用进行了 详细的综述，归纳总结了该系统应用于循环流化床床内流动的复杂性和有待解决 的问题，p i v 系统应用于流化床两相流的优点，并对进行两相流试验研究时应有 p i v 技术应具备的试验条件进行了比较详尽的分析。 试验过程中，通过改变激光器照射截面，提高操作风速，变化物料高度，获 得不同工况下的图像数据，并针对不同的流动区域，将获得的典型流动状态的连 续图像进行了可视化分析。 本文对试验所获 ! 导的连续图像通过互相关算法，获得颗粒速度矢量图，并将 速度分解为径向速度和轴向速度，对每一小区域内的颗粒按速度方向不同进行速 度平均，获得颗粒的平均速度分布曲线。文中着重对近壁区和中心区的速度场进 行了讨论，分析了不同的工况条件下，颗粒的速度变化趋势，结合循环流化床流 动的脉动特点，从宏观上总结出颗粒流动特住。 文中对所获得的原始图像，通过图像预处理、二值化、边缘检测、模式识别 等图像处理算法，识别出图像中颗粒的直径大小，以及颗粒的个数信息，经过数 据统计，获得不同工况下近壁区和中心区的颗粒平均粒径分布和平均浓度分布曲 线，总结了循环流化床的粒径与浓度的分布特性 最后，文中总结了试验中所遇到的问题，包括仪器本身的局限和数据处理方 法的影响，这些因素将对试验结果造成误差，文中还对试验中存在的问题和不足， 提出了一些改进意见和处理方法上的尝试。 关键词：循环流化床锅炉，p 1 v 技术，图像处理，互相关 塑垩奎堂堡主堂堡笙苎 a b s t r a c t t h i st h e s i si sa i m e dt os t u d yt h ef l o wf i e l di nc i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e d ( c f b ) b o l i e ri nc o l d s t a t eb a s e do nt h es y s t e mo fp a r t i c l ei m a g ev e l o c i m e t r y ( p r y ) ，s e v e r a lp a r t sa r ei n c l u d e d ：t h e d i s t r i b u t i o no fp a r t i c l e sv e l o c i t yi nc f bb o i l e ri n c l u d i n gr a d i a lv e l o c i t ya n da x i a lv e l o c i t yo f p a r t i c l e s ；t h ea v e r a g er a d i a la n da x i a lc o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o no fp a r t i c l e si nc f bb o i l e r ；t h e a v e r a g er a d i a la n da x i a ls i z ed i s t r i b u t i o no f p a r t i c l e si nc f b b o i l e r ac r i t i c a lr e v i e wo ft h es t u d y i n ga n da p p l i c a t i o no ft h es y s t e mo fp i vu s e di nc f bb o i l e ra r e g i y e ni nd e t a i l t h ea d v a n t a g e o fp wu s e di nc f bb o i l e ri ss u r v e y e d ，t h i n k i n go f t h ec h a r a c t e ro f f l o wf i e l di nc f b b o i l e r , a n a l y s i sa b o u tt h er e q u e s t e de x p e r i m e n t a lc o n d i t i o ni sd o n ei nd e t a i l i nt h i st h e s i s ，b yc h a n g i n gt h ep o s i t i o no fl a s e r , i n c r e a s i n gt h eo p e r a t i o nv e l o c i t ya n da d d i n g t h ee x p e r i m e n t a lm a t e r i e l ，t h ei m a g e sd a t au n d e rt h ed i f f e r e n to p e r a t i o n a lc o n d i t i o na r eg o t t e n v i s u a l a n a l y s i so f t h ed i f f e r e n t a r e ao f f l o w f i e l d i sd o n e ，u s i n gas e r i a lo f i m a g e sa b o u t t h e t y p i c a l s a t eo f f l o wf i e l d i l lt 1 1 i st h e s i s t h eb a s i ca r i t h m e t i co f p l vs o f t w a r e c r o s s - c o n e l a t i o na r i t h m e t i ci si n t r o d u c e d i n d e t a i l ，d u r i n g t h ed a t a p r o c e s s ，t h r o u g hp r o c e s s i n g t h et w o s e q u e n t i a li m a g e sb y t h e c r o s s - - c o r r e l a t i o na r i t h m e t i c ，t h ev e c t o rc h a r t so f p a r t i c l e sv e l o c i t yc a nb eo b t a i n e d s oi s 血ec h a r t o f a b s o l u t ev e l o c i t y , w i t hv e l o c i t yd e c o m p o s e di n t ot h er a d i a lv e l o c i t ya n da x i a lv e l o c 时i ne a c h s m a l la r e a ，t h ev e l o c i t yo fp a r t i c l e si s a v e r a g e d ，g e t t i n gt h ec h a r t so fa v e r a g ev e l o c i t y i nt h i s t h e s i s ，t h ef i e l d so fv e l o c i t yi nt h ea r e an e a rt h ew a l la n dt h ec o r ea r e aa r ed i s c u s s e di ns t r e s s t h i n k i n ga b o u tt h ef l u c t u a t ec h a r a c t e r so ff l o wi nc f bb o i l e r , t h er u l e so fp a r t i c l e sf l o wi s s u n m a a r i z e a c c o r d i n g t ol l l a o r oa n a l y s i s t h r o u 【g ht h ea r i t h m e t i co fi m a g ep r o c e s s ，t h ep r e t r e a t m e n to f i m a g e ，t h r e s h o l dp r o c e s s i n g ， b o u n d a r yf i n d i n g ，p a u e mr e c o g n i t i o n ，t h es i z ea n dt h en u m b e r so f p a r t i c l e sc a nb e g o t 【e n b vt h e s t a t i s t i co fd a t a ，t h ec h a r t so f a v e r a g es i z ea n dc o n c e n t r a t i o no fp a r t i c l e si nt h en e a rw a l la n dc o l e a r e aa r eo b r a i n e d i nt h et h e s i s ，t h e p r o b l e m s i nt h ec o u r s eo fe x p e r i m e n ta r e s u m m a r i z e d i n c l u d i n gt h e l o c a l i z a t i o no f a p p a r a t u sa n d t h ew a y so f i m a g ep r o c e s s i n gw h i c hr e s u l ti nd a t ae r r o r f o rd e a l i n g w i t ht h ep r o b l e m sa n d s h o r t c o m i n g ，s o m eb e r e r m e n ta d v i c e sa n da a e m p t so fd a t ap r o c e s sa r ep u t f o r w a r di nt h et h e s i s k e y w o r d s ：c i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e db o i l e r , p a r t i c l ei m a g ev e l o c i m e t r yt e c h n i q u e ，i m a g e p r o c e s s i n g 。c r o s s - c o r r e l a t i o n 本人声明所里交抑引一【tz 芷水人存导师指甘f 进行的研究工作及取徇的 例究成粜。掂我所知，除j 7 史r 坝0j i 以标注和致晰的地方外，沦文 】不包含其 他人已经发表或撰写过的删究成粜，也1 i 包禽为获得逝婆太置一或其他教育机 构小j 。、# 位或i i e - b 而使川j 的榭。我同工作的同j 卷列彳。饼俐，i 做的任何贞献 均l 稃论文一 1 作了i 圳确的 别0 川太小翊j 意。 学位论文作者签名：易吨彳、签字日期：7 w 多年1 月夕明 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿态堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权盘姿盘主可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名刍以， 导师签名 签字日期：抄3 年乙月z 髟日 签字日期 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 钟舟 协气c 以口2 e 醪年 灞吧掘椰 新江大学颈士学位论文 致谢 本论文是在导师王勤辉副教授的热情关怀和悉心指导下完成的。王勤辉导师 诲人不倦的育人精神，严于律己、宽以待人的学者风范，渊博的学识，严谨踏实 的治学态度将令我终身难忘。在此谨表示学生衷心的感谢和崇高的敬意。 忠心感谢骆仲泱教授在我硕士学习和工作期间所给予的诚挚的关怀，悉心的 指导和大力的帮助。特别感谢程乐鸣教授和周劲松教授的无私帮助，他们是肯为 他人付出时间和专业知识的人。 特别感谢我的师姐石惠娴博士生，在实验工作中自始至终给予了我悉心的指 导。石惠娴博士生宽厚的待人态度，丰富的实践知识和不断学习的钻研精神，将 永远值得我学习。 感谢方梦翔老师、于春江老师、施正伦老师、王树荣老师、高翔老师! 三年 的学习和生活中，他们给予了我诸多的指导和帮助。 一个和谐、充满生机的学习和科研集体是我应值得特别留恋的。在此，我要 向在共同的学习和生活中给予我许多帮助的张小丹同学、丁星阳同学、张斌同学 表示诚挚的谢意! 还要感谢评阅和审议本论文以及参与论文答辩的专家教授。 最后感谢我的父母，在我成长的每一步中，都倾注着他们无私的爱和奉献。 他们为我的成长所绘予的支持和期望，我将终身不忘，也将激励着我不断前进。 赵晓东 2 0 0 3 年1 月于求是园 浙江大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 流化床燃烧技术是本世纪初源于化学工业，六十年代初应用于锅炉燃烧领域 的一种新型的煤炭洁净燃烧技术。经过长期发展，目前流化床锅炉可分为鼓泡流 化床锅炉、循环流化床锅炉、旋涡流化床锅炉和增压流化床锅炉等。其中循环流 化床锅炉是目前发展最快、应用最广的一种流化床燃烧技术。 循环流化床燃烧技术是8 0 年代在鼓泡流化床燃烧技术的基础上发展起来的 一项新型燃烧技术，是在第一代沸腾炉的基础上克服其飞灰含量高、燃烧效率低、 埋管受热面磨损严重、脱硫剂利用率低等固有缺点而开发的。这种燃烧方式是炉 内物质运行在一特殊的流动特性状态下，炉内部分较细颗粒被烟气携带通过炉 膛，部分固体颗粒产生回流，被携带出的颗粒经气固分离器再送回炉内反复燃烧， 多次循环。由于循环流化床中燃料及脱硫剂多次循环，反复地燃烧和反应，且炉 内紊流运动强烈，因而能达到理想的脱硫效率和燃烧效率。 虽然循环流化床燃烧技术作为新一代的清洁燃烧技术已在世界范围内得到 广泛应用，但其复杂的气固两相流体动力特性还远没有得到了解。目前对循环流 化床动力特性的研究，尽管取得了很大的进展，但仍有许多问题尚有待解决，如 浓相气固多相流动特性的机理研究以及循环流化床锅炉设计和运行中循环流化 床内固体颗粒的浓度选取及给返料机构的设计等问题，由于床内流体动力特性的 复杂性和测试手段的局限，目前对循环流化床炉内气固流动结构及混合特性、颗 粒团形成及流动特性等的了解还远远不够。同时由于炉内气固两相流场、炉内颗 粒浓度分布和粒径分布等是优化循环流化床锅炉设计和运行过程的关键，也是循 环流化床锅炉模型化的基础，至今循环流化床中气固两相流动特性研究仍是许多 研究者关注的课题。 通常采用的探头取样、光纤探头测量和激光多普勒测速仪( l d a ) 存在着单 点测速和对所测流场干扰大的问题，如清华大学华工系杨勇林等利用t s i 光纤激 光多普勒测速仪( l d v ) 测定了低密度循环流化床内局部颗粒速度的径向分布， 获得了床层截面平均颗粒速度，但只是在低密度的工况下进行，并不能进行二维 和三维全场瞬时速度测量，难以获得流动的瞬时速度场、脉动速度场、涡量场和 雷诺应力分布等，而对于稠密气固两相流，难以布置光学测量仪器的光通路，热 膜、p d a 、l d v 、磷光示踪、激光全息等方法也难于应用。因此，不断寻求先进的 测试手段进一步研究循环流化床内气固两相流动特性是解决问题的一个可行办 法。 浙江大学硕士学位论文 1 2p i v 技术及其应用于循环流化床流动特性研究的前景 近年来，由于计算机技术及激光应用技术的迅速发展，p i v 技术已趋于成熟。 p i v 技术( p a r t i c l ei m a g ev e l o c i m e t r y ) 指的是选择粒子浓度使其成为较高成 像密度模式，但成像系统像面上并未形成散斑图案，而还仍然是真实的粒子图像 或单个粒子的衍射图像。 p i v 系统主要由照明、成像和图像处理等部分组成，如图卜l 所示。照明部 分主要包括连续或脉冲激光器、光传输系统和片光源光学系统；成像部分包括图 像捕捉装置和同步器等。图像处理部分包括帧捕集器和分析显示软件。帧捕集器 将粒子图像数字化，并将连续图像储存到计算机的内存中。分析显示软件分析视 频或照相图像，实时显示采样的图像数据，在线显示速度矢量场。测试时，激光 器发出激光束，光学元件将光束变成片光源照亮所测流场。如是脉冲激光器，需 设置脉冲间隔，脉冲延迟期和激光脉冲等，高速c c d 或c m o s 相机捕捉激光照亮 流场的两幅图像，并将图像转化为数字信号传入计算机。 测速原理是：通过专用的软件采用一定的图像处理算法匹配图像粒子对，测 出在一定时间间隔内示踪粒子在x ，y 方向上的位移，速度等于位移除以时间间 隔，可得出移动速度大小和速度方向。 图1 1p r v 系统的组成 对p i v 的研究目前大体有两种方法：一种是利用先进的高性能的p i v 系统 设备和计算机设备进行研究；这种方法设备昂贵，只有少数高等院校和研究单位 采用 7 】。另一种方法是采用一般设备和计算机进行研究，这种方法的关键是要有 合适的p i v 图像处理算法及其处理程序软件，目前这种方法已被广泛采用。本论 文根据实际情况采用这一种方法。互相关技术被广泛应用于多种图像处理方法 中，既适合于不同粒子浓度的图像处理，又适合于各种不同流动的图像处理，因 此本文的p i v 理论就以互相关为基础。 浙江大学硕士学位论文 气固流化床内流体动力特性的研究主要是研究流化床内气体和固体颗粒的 流动规律。具体而言，主要研究流化床内压力的变化，气体和固体颗粒在床内的 分布及其运动速度、运动方向以及加速度，固体颗粒的质量流率，气泡行为和颗 粒的聚团行为。在对流化床中各种流体动力特性进行实验研究时，最重要的就是 选择好合适的测量手段，以保证对这些参数作出正确的描述。 p i v ( p a r t i c l ei m a g ev e l o c i m e t r y ) 是在近2 0 年来才得到发展的一种先进 的现代流动测量技术，由于计算机技术及激光应用技术的迅速发展，p i v 作为一 种可靠的测量技术，获得了普遍接受，p l y 技术已趋于成熟化。p i v 技术与单点 测量方法如皮托管，热线风速计和激光多普勒测速仪相比，有着明显的优势，它 突破了空间单点测量技术的局限，能进行二维和三维全场瞬时速度测量，对流场 干扰小，并可以获得流动的瞬时速度场、脉动速度场、涡量场和雷诺应力分布等。 p i v 技术非常适于研究涡流、湍流等复杂的流动结构，这是其它单点测量技术难 以或无法做到的。同时现在的p i v 系统还具备了与单点测量仪器( 如激光多普勒 测速计l d v 等) 相当空间分辨率，即使仅限于二维测量，p l v 技术也是一种详尽 的研究复杂流动的定量工具。由于p i v 上述的优势决定了将其用于研究工程气固 多相复杂流动的可能性。 目前国内外应用p i v 技术测量研究循环流化床床内气固两相流动特性还处 于刚起步阶段，现有的研究仍局限于对冷态循环流化床流场直接可视化，并通过 对图像的简单分析获得颗粒流动情况或颗粒团形状及流动，没有进行更深入的测 量及流场图像分析，只能够认为是p i v 技术应用的雏形。但这些研究工作对今后 将p 技术应用到冷态和热态循环流化床气固流动特性研究中具有很大的指导 作用。从这些研究工作中可见p i v 技术在循环流化床流体动力特性研究具有很好 应用前景，但在应用时必须解决下面两个主要问题：( 1 ) 循环流化床的颗粒浓度 属于高颗粒浓度范畴，特别应用在化工领域内的循环流化床设备内颗粒浓度相当 高，由于高浓度情况下所拍摄图像的清晰度不够、颗粒重叠等原因，传统的p w 测量技术和图像分析方法很难应用到高浓度时的情况，必须对获取流场图像手段 和图像分析方法进行改进才可以。所幸经过多年的发展，目前循环流化床锅炉炉 内的颗粒浓度不仅远低于化工领域中的循环流化床设备，也比循环床锅炉发展初 期低很多。典型的循环流化床稀相区中心区域的颗粒容积浓度为o 0 5 和0 0 4 左右。在该浓度下，通过采用大功率激光源等措施，可以获得较高质量流场图像。 ( 2 ) 由于循环流化床内特殊的核心一边壁区结构，其边壁区内高颗粒浓度远高于 核心区域。虽然当床内颗粒浓度较低时，激光片光可以从设备外边通过透明壁面 射入床内，c c d 相机也能在床外直接获取图像，但当循环床内颗粒浓度高到一 定的数量时，边壁区内的颗粒浓度将成为激光片光射入床内的主要阻力，同时也 成为c c d 相机拍摄图像的主要遮挡物。所以不管冷态还是热态实验，都需要采 浙江大学硕士学位论文 取措施使得激光能顺利穿过高颗粒浓度的边壁区，而且使c c d 相机能不受边壁 区的遮挡。如能较好地解决上述两个问题，p i v 技术应该能很好地应用于循环流 化床内气固流动特性的研究。 1 3 本文主要研究内容 本文主要通过对由p i v 所获得的图像处理结果分析，研究循环流化床冷态流 场的速度、浓度及粒径分布规律，并将该方法作为一种新的尝试，为循环流化床 动力特性的进一步深入研究提供良好的借鉴。 试验过程中，主要针对在不同的流化风速，床料静止高度( 以下简称床料静 高) ，不同的测量截面等变工况下，通过p 系统获得颗粒连续流动的图像，对 流场进行了可视化分析，并由p i v 软件处理图像，获得颗粒的速度场分布。 试验获得的原始数据为在一段连续时间内的获得的一系列图像，对图像进行 互相关算法处理，确定相邻两幅图像中同一粒子的位置及速度，具体介绍详见后 面的速度分析章节，对于图像中除了可提取速度信息之外，还可对图像中的粒子 大小及浓度进行信息提取，具体方法包括图像预处理、图像二值化、图像边缘检 测等方法。 文中最后对今后工作的近一步开展提出了一些想法，并对研究前景进行了探 讨和展望。 浙江大学硕士学位论文 第二章p i v 技术应用于气固多相流动研究综述 2 1 前言 循环流化床内气固多相流动是典型的工程气固多相流动，因此，采用先进的 p i v n 试技术对循环流化床内气固多相流动特性进行深入研究，具有重要的工程 实用意义。本章主要综述了p i v 技术的发展及其算法，p i v 应用于气固多相流动研 究现状和循环流化床测速技术的发展，在此基础上重点总结了循环流化床气固两 相流动p 测试的研究现状，分析t p i v 技术用于循环流化床内气固多相流动研究 的要求和可行性。 2 2 流场测速技术的发展 流场测速技术的研究在流体力学和空气动力学中具有很高的学术意义和实 用价值1 9 1 4 年发明了热线热膜流速计( h w f a ) ，但它最大缺点是接触式测 量，对流场干扰较大。本世纪6 0 年代，激光多普勒测速仪( l d v ) 实现了对流 场的无接触测量【l 一1 。它利用流场中粒子的m i e 散射，测量散射光相对于原入射 激光的多普勒频移量，计算粒子的运动速度。其优点是具有很好的时间分辨率和 空间分辨率，得到了广泛的应用。然而，它和热线热膜流速计一样，都只是一种 单点或多点测量技术。 7 0 年代末，激光散斑全场测速技术( 1 a s e rs p e c k l ev e l o c i m e t r y ，l s v ) 兴起， 近年来逐渐演变为粒子图像测速技术( p a r t i c l ei m a g ev e l o c i m e t r y ，p i v ) 和粒子 跟踪测速技术( 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 ，p t v ) ，这些技术已成为当今动态 速度场测量的主要手段，实际上它们都属于粒子图像全场测速范畴，需要在流场 中添加示踪粒子，用计算机图像处理技术判读。当流场中粒子浓度极低时，有可 能识别、跟踪单个粒子的运动，从记录的粒予图像中测得单个粒子的位移，这种 低粒子图像密度模式的测速方法即为p t v 技术；当流场中粒子浓度很高，以至 于要用相干光激光照明时，粒子衍射图像在成像系统像面上相互干涉形成激 光散斑图案，散斑已经掩盖了真实的粒子图像，底片判读测出的是激光散斑位移， 这种极高粒子图像密度模式的测速方法即为l s v 技术：这里所说的p i v 技术， 指的是选择粒子浓度使其成为较高成像密度模式，但在成像系统像面上并未形成 散斑图案，而还仍然是真实的粒子图像或单个粒子的衍射图像。此时这些粒子已 浙江大学硕士学位论文 无法识别，底片判读只能获得一个判读小区域中多个粒子图像位移的统计平均 值目前l s v 技术已很少采用，高粒子浓度对流场干扰较大，而测量精度、实 验设备均与p i v 技术基本相同【) 。】。 研究全场测速技术目前成为人们在追求和实现理想的或近乎理想的测试方 法和手段方面的一种努力途径它是跨学科、多学科的研究结合点，充分体现了 激光技术、图像处理技术、计算机技术和近代光学技术在其中的重要作用。 2 2p i v 测速技术的发展及应用特点 2 2 1p i v 测速技术的发展 随着计算机技术和图像处理技术的进步，p 技术得到了迅猛发展，现在已 广泛应用于各种流动的测量，从定常流动到非定常流动、低速流动到高速流动、 单相流动到多相流动等【3 7 】。迄今为止，在二维全场测速技术中，p i v 测速已变为 测速的标准方法，其产品也已走向市场，美国t s i 公司、a e r o m e t r i c s 公司和丹麦 d a n t e c 公司等均有成套产品推出1 3 j 。与热线风速仪、激光多普勒测速仪等相比， p 技术具有能测量空间全流场的瞬态速度和对流场干扰小的优点。 p i v 技术的最新研究目前侧重两方面，一个是多参数测量及其图像处理的研 究哗j ，比如温度、速度、浓度等参数测量同时进行。另一个是h p i v ( h o l o g r a p h i c p a r t i c l ei m a g ev e l o c i m e t r y ) 方法的研究【9 】，它是利用全息摄影技术进行三维空间 的测量。 2 2 2p i v 测速技术的应用特点 图2 1 为典型的二维p i v 系统组成示意图。典型p i v 系统由照明、粒子的加入、 图像的记录( 摄像) 和图像的处理四部分组成。因此，在将p i v 技术应用于实际 流动时，组成p 1 v 系统的许多环节会影响到获取p i v 图像的质量及处理结果的精 度。因此为了获得高质量的p i v 图像和可靠的测试结果，必须选择适当的粒子， 适当的照明设备和合适的图像记录设备，同时为了提高处理结果的精度必须考虑 图像处理算法的适用特性，并解决好图像处理过程中误对应速度的判断和消除等 问题。 浙江大学硕士学位论文 激光器 测试区( 粒子的加入) 图2 - 1 二维p i v 系统的组成 】，选择合适的粒子 选择粒子时需要考虑粒子的材料、粒径和数量，这些因素决定着粒子对流体 的跟随性，粒子在流场空间中的分布浓度以及粒子的光学特性。 在p 1 7 技术中，示踪粒子和流体流动之闻的相对运动应尽可能的小，能够跟 随流动。粒子直径应有足够小的粒径，以便能够跟随流体流动，但尺寸越小，粒 子的可见度越低。因此粒子还必须有足够大的粒径大小。但粒子尺寸愈大粒子跟 随性愈差。获得示踪粒子良好的跟随性的解决方法，将易被光激发致光的示踪物 质作为流化介质，这样示踪粒子与物料的物性可保证完全一致。 p i v 系统要求每个单位域内有效的粒子对应该多余1 0 对1 0 】。目的是为了获得 较高的有效数据率。但粒子对也不能太多，太多了图像就会重叠而形成散斑，使 误对应速度向量增多，降低对应率。反过来粒子数少，又会使流场信息太少而产 生失真，无法揭示真实流动现象，特别是流动存在的变形较大时失真现象更明显。 因此合适的粒子浓度可以提高p i v 精度。 p i v 对粒子的光散射特性和信噪比也有一定的要求。粒径、折射指数和粒子 形状等因素都会影响光散射的能力。粒子材料的折射指数对信号质量影响是很大 的。粒子表面越光亮，获得较好散射信号的可能性越大：粒子形状也会影响信噪 比的值，a g a r w a l 发现非球形粒子实际上会散射更多的光。如果粒子的光反射强 度低会降低粒子的图像质量，难以保证粒子图像的清晰度，使粒子的图像信息丢 失。当粒子的光反射能力弱时，可通过增加照明光的强度、在粒子表面涂上反光 剂和增大粒径的方法来提高粒子的光反射能力。 2 选择适当的照明设备。 对于p i v 系统，有些白色光也能使用。但为实现高分辨率测量，一般采用激 浙江大学硕士学位论文 一 光及其光学部件来实现照明，激光发出已被准直的能量，强度应达到一定的要求， 使获得的图像清嘶。 3 选择适当的图像记录设备， 随着图像记录设备技术的发展，为了使图像信息不失真，一般都采用高像素 的数字式照相机和数字式摄像机。在欧美日等发达国家普遍使用数字式摄像机， 因为它能比照相机获得更多的信息储备。 4 采用适当的图像处理算法。 依据粒子浓度的高低，p i v 图像处理算法可分成两类。一类是适合于低浓度 的p t v ( p a r t i c l et r a e k i _ n gv e l o c i m e t r y ) 方法和相关法，另一类是处理高浓度 的粒子分郴相关法。在图像处理过程中，由于算法本身存在的误差和图像的背景 嗓声，会出现速度向量的误对应。无论那一种图像处理算法，都要建立一套误对 应速度的判断和消除的方法使图像处理结果更加可靠。因此良好的图像处理算法 是p i v 理论秘应用研究豹重点。根据实际流动粒子浓度情况，选择和改进图像处 理算法是获得真实流动信息的关键。 2 , 3 常用p i v 图像处理算法 一般根据所处理流场的粒子浓度，常用p i v 图像处理算法可分成两类。一类 是适合于处理高浓度的粒子分布相关法。另一类是适合于低浓度的p t v ( p a r t i c l e t r a c k i n gv e l o c i m e t r y ) 方法，另按熙流动速度计算原理不同，每类算法又有多 种各具特点的算法。 2 3 1 适于低粒子浓度的算法 适于低粒子浓度豹算法有二值化互相关法、速度梯度张量法、三角形追踪法、 和四时间步追踪法等。二值化互相关法【6 1 1 1 1 1 、 1 2 1 是种高速的图像处理算法适 合于各种流动的图像处理。但严格来说，二值化互相关法比较适合于各神各样的 平行流动，当流动中存在旋转、剪切、伸缩等变形时，则可靠性较差。为了弥补 这个不足，就提出了速度梯度张量法0 3 1 。三角形追踪法f “】、c ”】与其它方法不同 它是用三角形分割法将三颗粒子作为三角形的顶点。然后追踪三角形而不是单个 粒予，最大优点是速度场的后处理菲常方便，诗算速度快。四对溺步追踪法i l 6 l ”】f 博1 是用连续的四幅图像确定粒子的运动轨迹，从而确定粒子的运动速度。该 方法优点是粒子误对应少，比较常用。下面分别介绍下这几种图像处理算法的 流动速度计算原理。 1 二值化互相关法 浙江大学硕士学位论文 首先选择由图像记录设备获得的两幅时间上连续的图像，然后根据图像的灰 度分布状况确定一个阈值，将图像中的放度数据二慎化，标定出每幅图像中的粒 子。再进行鹤幅图像中同粒子也就是对应粒子的刿定。在第一幅图像中选择一 个参考粒子，在第二疆窝像中任意选定一个谈奉 较予，褥参考粒子及萁周密的粒 予分布与候补粒子及其周围的粒子分布进行相似性分析，当两者相似性最高时， 认为参考粒子与候补粒子魁对应的，并且为同一粒予，见图2 2 。这样就可确定 粒子的位移及其速度。 麓2 - 2 二馕纯互稻关法 其中相似性分析用相燕系数大小来评判，相关系数的计算公式为 ，= 警犯1 )j 、- ， n p 口幽 其中d 。v e h a p 吣为两幅圈像进行相似中主对比时参考粒子或候补粒子局部区域内 粒予豹重叠磁积，爿。为崩部区域内粳予的截面积之粒。这里假设粒子重心德 麓不变，粒较大小全都稆阐。当相关系数，为最大时。参考粒子与候补粒子就认 为是同一粒子。 2 。速度梯度张燕法 选择嚣鼷连续图像，蘩癌图稼孛鹃参考粒子与第二幅盈豫牵谈牵 粒子除了 平移运动“r hj f 外，还有变形运动踟r h ，x , k 一- j a t ，如图2 - 3 所示， 浙江大学硕士学位论文 图2 3 速度梯度张量法 其中国r hj 为速度梯度张量。在这种流动方式下，粒子的位移计算公式为 三羚掣若二黧裟f 篙删 p z ， = 旷工j 一工，j r x 一一工nj + t 氟r 工，j r 工n x ，j f 0 、。 计算研究区域内的粒子位移的平方和，即 e 社= d 轰= 2 1 k 勺一x ，j 一一- l c i l ，+ 面r x ，j - - x ! j f r ( 2 - 3 ) 根据最小二乘法，可从上式求得速度梯度张量，然后计算e u k 的值，当e 0 为 最小时，对应的参考粒子与候补粒子为同一粒子。这样就可确定粒子的位移及其 速度。 3 三角形追踪法 与其它方法不同，如图2 4 所示。其原理为：图像中任意分布的粒子可以构 成最佳的三角形分布，并且这种分布是唯一的。所谓最佳三角形分布是指每个三 角形的内角都是最大，边长最长。而其唯性的存在正是p 所需要的最重要特 征，这样使得三角形的建立与粒子的编号顺序无关，也使得粒子的对应是唯一的。 若在研究区域内两幅图像中的三角形最相似，那么认为是同一三角形，即顶点的 粒子是同一粒子。这样就可确定粒子的位移及其速度。 塑垩丕堂堡主堂堡堡壅 ，_ _ - _ - _ _ _ ， 0o 511 522 5 33 54 图2 - 4 三角形追踪法 4 四时间步追踪法 首先在第一幅图像中选定一个参考粒子，然后在第二幅图像中选择该粒子在 预想的最大移动距离内的所有粒子作为候补粒子，连接参考粒子和候补粒子，在 它们连线的延长线附近寻找第三幅图像中在预想的最大移动距离内 ( s = u 。a t ) 的候补粒子。对于第四幅图像则采用同样的方法，只是此时 连线为第二幅中参考粒子和第三幅图像中候补粒子的连线，如图2 5 所示。如果 从第一幅图像的参考粒子到第四幅图像的候补粒子其粒子轨迹能光滑连接的话， 这些粒子为同一粒子。这样就可确定粒子的位移及其速度。 这种方法中粒子的确定依据是粒子轨迹的光滑，它用四幅图像形成的粒子移 动距离和连线偏转角来表示，即 仃= 其中叱= 三他+ d 一+ 唰 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 浙江大学硕士学位论文 仃 0 0 痧五而 ( 2 6 ) 8 。= ( o 一9 i l ) x ，x ，_ x ，为同一粒子在四幅图像中的坐标，d f = x ，一_ ，为如和d 业之 间的夹角，若盯，为最小，则该粒子轨迹光滑，对应的粒子为同一粒子。这样就 可确定粒子的位移及其速度。 f r a m e1 ( )s e a r c ha r e a 图2 - 5 四时间步追踪法 2 3 2 适于高粒子浓度的算法 适于高粒子浓度的算法有灰度分布互相关法，m q d 法和自相关法等。辉度 分布互相关法 4 】是一种典型的粒子分布相关法，它适合于各种流动的测量。它的 缺点是计算量大，因此进行了改进，提出了m q d ( m i n i m u mq u a d r a t i cd i f f e r e n c e ) 法4 】1 1 9 1 2 0 1 ，优点是计算时间显著缩短。另外还有自相关法，它的缺点是粒子的 位移方向不能确定，需要建立方向的判定准则，应用已越来越少。下面分别介绍 一下这几种图像处理算法的流动速度计算原理。 1 辉度分布互相关法 原理是在第一幅图像中选择一个参考粒子p ，然后建立一个包含该粒子的搜 索区域，在第二幅图像中选择一个包含候补粒子绒的对应区域嘭，如图2 - 6 所示。分析搜索区域和候补区域的相似性，计算。和形的相关系数，最大相关 浙江大学硕士学位论文 系数值对应的参考粒子和候补粒子是同粒子。这样就可确定粒予的位移及其遮 度。 摆关系数豹计舅公式为 厶岛 f * l ，；l 或，= 图2 - 6 辉度分布相关法 仉一7 j r g 。一动 扣l t i jn 舸nm 、f 僻- y ) 2 渤一动2 ￥f * lj * ll l ，= 1 ( 2 7 ) 犯一8 ) 其中f 、g 分别为第一、第二幅图像中搜索区域和对应区域的辉度分布函数， f 、g 为稳瘦戆平均藿，n 、m 为对应瓣耱_ 子数。警鬻像嚣像素絮辛奄残霆砉，尹、 g 就为像素的辉度值，、m 为像素数艟。 2 。m q d 法 它与辉嶷分蠢相关法懿差鬟裁在予瘸辉度差靛平方彳乍为褶 菇谯分辑的依掇 来代替相关系数。如果用栩同的符号来液示的话，则 一志善荟f 办- 岛，2 ( 2 - 9 ) 同样当r 德为最小时，参考粒子与候补粒子为同粒子。这样就可确定粒子 的位移及其逮度。 3 鑫辐荧法 自穗关法鞠翦原璎楚在一幅图豫中记录下连续多个对劐的鞭子图像，一 般来说两个时剡就可以，然后计算其自相关系数，当该系数值为最大时，对应的 参考粒子和候孙粒子为同一粒子。这种方法的最大特点是能测高速流动，此对须 鲻高速螽禳裰| 或照耀辊，这撵两次残像豹潜藏溺隔载缓小，因菠霹阉满簇舞透敬 浙江大学硕士学位论文 是很重要的。 综合上述常用p 图像处理算法可以看出，互相关技术被广泛应用于各种图 像处理方法中，既适合于不同粒子浓度的图像处理，又适合于各种不同流动的图 像处理，因此本文的p i v 理论就以互相关为基础。各种常用p i v 图像处理算法 的特点和适用范围的总结见表2 一l 。 表2 - 1 常用p i v 图像处理算法 适用粒适用流体 适用 算法 原理特点 子浓度图像数变形维数 辉度分布辉度值分布模型的 适用于各种流动， 高 2 适用 2 互相关法相关性分析但计算速度慢 辉度差的平方分布 m q d 法适用于各种流动 高2适用2 模型的相关性分析 适用于各种流动， 自相关法辉度值的自相关特别是高速流动， 高 1 适用 2 方向需要判别 二值化 粒子模型的相关计算速度快低 2 ，3 不适用 2 ，3 互相关法 速度 速度梯度的相关 适用于回转流动， 低2适用2 ，3 梯度法计算速度快 三角形粒子三角形连接分适用于变形流动， 低2适用2 追踪法布的追踪计算速度快 四时间步光滑流动轨迹的追各种流动通用，误 低 4 不适用2 ，3 追踪法踪对应少 2 4p i v 应用于气固多相流动的研究现状 p i v 发展初期是应用于测试单相流( 空气和水等) ，为使流场可视化，流体 由可折射激光的跟随性较好的小粒径粒子示踪( 例如在水中加入与其同比重的 l o pm 大小的示踪粒子) 这样就可以通过p i v 方法测试粒子的速度来确定流体 的速度。当将p i v 应用于多相流动测试中，考虑与单相流的区别，在气固流中， 可取细颗粒( 小于2 5 p m ) 为气相示踪粒子，而粗颗粒( 大于2 5p m ) 作为固相 示踪粒子。在液固流中，可取细颗粒( 小于1 0 0 “m ) 为液相示踪粒子，而取粗 颗粒( 大于1 0 0pm ) 为固相，这样，在两相之间会有明显的区别，利用一些技 术( 如t h e d i g i t a lm a s kt e c h n i q u e ) 就可以将不同相的相关信息区分开来，将p i v 浙江大学硕士学位论文 一一 应用于多相流动流场中，可同时确定各单相的速度分布。随着p i v 技术的不 断发展，p i v 的应用领域不断拓宽，目前国际上己开始将p 技术用于气固多相 流动中。虽然在p i v 应用于气固多相流动时存在着粒子的三维效应，照明光源的 选择和图像处理算法的改进等许多难题，但已有一些研究者做出了初步的探索， 取得了一些研究成果。 2 4 1p i v 用于气固多相流场测试 m i y a z a k i 等【2 3 1 将p i v 技术成功应用到水平管内螺旋气固两相流粒子运动。在 该文中，p 被用作用粒子图像获得速度的术语。它包括用粒子图像高密度模型 获得速度的方法( p i v ) 和用单个粒子追踪低密度粒子数的方法( p t v ) 。固体颗 粒采用密度为2 5 0 0 k g m 3 ，直径为2 9 3 9 m m 玻璃珠。原始图像由一个6 4 0 4 8 0 像素的高速照相机记录( n a ch s v 1 0 0 0 ) 。该文详细讨论了p 的特征和分类， 重点放在些常见的粒子图像测速技术比较上，通过研究显示p i v 技术可以高度 准确测量螺旋气固两相流粒子轴向速度，但同时指出对于测量径向和周向速度确 有困难。同时m i y a z a k i 等为描述粒子在流场中二维方向上迁移的宏观特性，将 所测流场截面分成几个分区，通过粒子位置概率分布的统计方法获得了粒子浓度 分布。并由此揭示了影响螺旋流高传输率的粒子运动的一些重要特性。l i n c u i k e n 等”用p i v 测试了多相流中各相的速度场，指出当研究多相流时，将来源于不同 相的信号区分开来是必要的。魏名山等【2 4 1 为研究静电旋风除尘器内的流场以便深 入研究清灰等问题，采用p i