（机械电子工程专业论文）水平管道突扩口气固两相流特性的实验研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 气固两相流在工业和自然界是广泛存在的，对其进行研究有着重大的意义， 如优化生产工艺，提高生产效率，减少工业污染等。但是气固两相流的运动特性 和相间作用是极其复杂的，而且对其运动特性的影响因素也非常多，如边界条件， 固相的特性，气固两相的质量载荷比等。本硕士课题利用目前最先进的p i n 方 法对气固两相经过突扩口后的流动特性进行了研究。本文共由五章组成。 第一章是综述，简要的介绍了气固两相流研究的意义，并对气固两相流的研 究手段的发展及目前p i v 进行了较详细的介绍。 第二章主要是算法的研究。因为目前的许多算法都是针对单相流动的，再则 研究具有高的计算精度的算法对p i v 也是至关重要的。文中详细的介绍可以用 于强变形流场计算的p 1 v 算法，即p c s s 算法，还介绍了对近圆形物的重叠分 离。 第三章介绍了在m a t l a b 7 0 的平台上开发的软件m p i v ，其主要有p i v 计算 和”v 计算两部分组成。本软件不仅能够用于p i v 的两幅图像间的计算，也能 用于未来高速摄影的一系列连续图像的计算。 实验的设计及实验结果的分析，在第四章中进行了详细的论述。实验中我们 发现，因重力而产生的沉积现象非常明显，并且有由于沉积效应的存在，固相发 生了分层运动，而相间作用的结果又使得气相出现了分层运动。 在最后一章，对我们的研究进行了总结，分析了目前研究手段及方法的不足 之处，并对未来的研究提出了相应的看法与见解。 【关键词】：p i v ；p 1 v ；气固两相流；图像分离； t h ef o u n d a t i o no f n a t i o h a ln a t u r es c i e n c eo f c h i m ( 5 0 2 0 6 0 1 9 ) tfl， 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t g a s s o l i dt w o p h a s e sf l o wi sb r o a d l ye x i s ti ni n d u s t r ya n dn a t u r e r e s e a r c ho ni ti s v e r yi m p o r t a n t ，w h i c hc a l lh e l pu so p t i m i z et h em a n u f a c t u r ep r o c e s s ，i m p r o v e e f f i c i e n c y ，a n dr e d u c ep o l l u t i o n t h ec h a r a c t e r i s t i ca n di n t e r a c t i o no ft h eg a s - s o l i d t w op h a s e sf l o wi sv e r yc o m p l e x , w h i c hi sa f f e c t e db ym a n yf a c t o r s ，s u c ha sb o u n d a r y c o n d i t i o n ，t h e c h a r a c t e r i s t i co ft h es o l i dp h a s e ，t h em a s sr a t i oo fg a sa n ds o l i d i n t h i sp a p e rw eu s et h em o s ta d v a n c e dm e a t l st h a ti sp a tp r e s e n t t oi n v e s t i g a t et h e c h a r a c t e r i s t i co ft h et w op h a s e sf l o ww h e ni tf l o w st h r o u g has u d d e n l yb r o a d e n e d o r i f i c e t h i sp a p e ri sc o m p o s e do ff i v ec h a p t e r s c h a p t e r o l l ei sas u m m a r i z a t i o n i nt h i sc h a p t e r , w es i m p l yi n t r o d u c e dt h em e a n i n g o fr e s e a r c h i n go ng a s s o l i dt w op h a s ef l o w t h ee x p e r i m e n t a lm e a n s i e p i s p r e s e n t e di nd e t a i l t h es e c o n dc h a p t e rf o c u s e so na l g o r i t h mr e s e a r c h n o wm a n ya l g o r i t h m sa r eo n l y f o rs i n g l ep h a s ef l o w ，a n di ti sa l s on e c e s s a r yt od e v e l o ph i g ha c c u r a c ya l g o r i t h mf o r p t e c h n o l o g y i nt h ec h a p t e r , an e wa l g o r i t h mw h i c hi ss u i t a b l ef o rs t r o n g d e f o r m a t i o nf l o wi sp r e s e n t e d a n dt h er e c o g n i z i n go fo v e r l a p p e dp a r t i c l e si ni m a g e s i sa l s op r o p o s e d i nt h et l l i r dc h a p t e ras m a l ls o f t w a r ei si n t r o d u c e d w h i c hi sb a s e do nt h ea l g o r i t h m p r e s e n t e di nc h a p t e rt w o ，a n dw r i t t e na tm a t l a bp l a t f o r m t h es o f t w a r ec o n s i s t so ft w o p a r t s t h ep i vm e t h o da n d 州m e t h o d i tc a nd e a lw i t ht h ei m a g e sc a p m r e db o t hb y p e q u i p m e n ta n dh i g l is p e e dc a m e r a t h e d e s i g n i n go ft h ee x p e r i m e n ta n dt h ea n a l y s i so ft h er e s u ra r eg i v e na tt h e f o u r t hc h a p t e r g r a v i t ym a k et h es o l i dp h a s ed e p o s i t , w h i c hm a k e st h es o l i dp h a s ea t t h eb o t t o mo ft h et u b em o v ef a s t e rt h a nt h es o l i dp h a s ea tt h et o po ft h et u b e b e c a u s e o ft h ei n t e r a c t i o nb e t w e e ns o l i dp h a s ea n dg a sp h a s e ，t h eg a sp h a s en e a rt h eb o t t o mo f t h et u b ea l s om o v e sf a s t e rt h a nt h a tn e a rt h et o po ft h et u b e a tt h el a s tc h a p t e rw es u m m a r i z et h ew h o l ep a p e r t h ep r o b l e mo ft h ee x p e r i m e n t a n dt h ed e f i c i e n c yo fp i va r ea n a l y z e d ，a n ds o m ev i e w p o i n t sa r ea l s op r o p o s e d t h ef o u n d a t i o no f n m b n a ln a t u r es c i e n c eo f c m n a ( 5 0 2 0 6 0 1 9 1 n 浙江大学硕士学位论文 k e y w o r d ：p i v ；m kg a s - s o l i dt o wp h a s ef l o w ；s e g m e n t a t i o no fi m a g e ； t h ef o u n d a t t o n o f n a t i o n a l n a t u r es c l e p e e o f c h i n a ( 5 0 2 0 6 0 1 9 ) i i i 学号2 鲤鲣! q 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝鎏盘鲎或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的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谢意。 学位论文作者签名：拯大 签字日期：力彩年3 月g 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解澎姿盘茔有关保留、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。本人授权盘鎏叁堂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) 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签轿 飞砖、 i 签字日期：。年j 月罗日 电话： 邮编： 吁日 ：人的 上移； 铄 年雠谢 文 期 沧 曰 位 字 学 签 浙江大学硕士学位论文 第一章综述 1 1 气固两相流研究的意义 气固两相流的运动广泛存在于固体燃料的流动和燃烧，旋风分离器和重力分 离，气力输送以及流化床，喷射推进等工业应用中”1 ，对其进行研究有着非常重 大的意义，如优化生产工艺，提高生产效率，减少工业污染等。 1 2 气固两相流研究的方法及手段 在计算机出现之前，流体力学的研究就已经取得了辉煌得成就【2 】【3 l 。随着计 算机科学的进步与发展，目前越来越多研究者都用数值计算和仿真【4 1 来研究气固 两相流【5 】，数值计算和仿真有着非常明显的好处和优点，例如减少实验成本和实 验时间，但是气固两相流的运动是极其复杂的，里面不仅存在能量交换，热量交 换，还存在颗粒间的相互碰撞以及与管道壁面的相互摩擦等，因此用实验手段对 其研究仍是必不可少的。在实验研究方面，常用的测量技术如激光多普勒测速仪 ( l d v ) 1 6 1 及相位多普勒粒子分析仪( p d p a 或p d a ) 【7 】，尽管它们都解决了流 体测量里面的无接触这个难点，但是很遗憾它们只能进行单点测量，而近年来发 展起来的粒子图像测速仪( p i v ，p a r t i c l ei m a g ev e l o e i m e t r y ) 1 8 1 9 】【1 0 1 可以对测量 整个截面的瞬时流场，下面我们将其进行比较详细和系统的介绍。 1 2 1p 1 v 技术的介绍 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 ，简写为p i v ) ，是目前国内 外最先进的流场测试手段之一。它可以在不影响流场本身的前提下，实现对整个 复杂流场的瞬时无干扰测量，从而解决了流体力学领域中长期以来存在的一个难 题。作为一种在流动显示基础上发展起来的新的定量流场测量技术，p i v 给流体 力学的研究提供了新的有力的手段，其测量技术优势主要表现在：湍流结构研究、 非定常瞬态流场测量、复杂或特殊几何结构流场测量、涡量场测量等，在这些方 浙江大学硕士学位论文 面它具备其他单点测量( 如皮托管( p i t o t t u b e ) 、热线式风速计 ( h o t w i r ea n e m o m e t e r ) 和多普勒激光测速仪( l a s e r d o p p l e rv e l o c i m e t r y ) 等传 统方法) 所难以达到的优势1 1 】。这也是近几年来，p i v 技术得以飞速发展的主要 原因。 1 2 1 1p i v 工作原理及其技术组成 p i v 以随时间而变化的粒子位移来测定流速，实际应用中，首先在需要测量 的流场中混入微小的示踪粒子，接着，在较短的时间间隔内，用片状光照亮流场 ( 至少两次) ，因为粒子对光线的反射作用，便可得到反映流场情况的一系列连 续图像。再由各种p i v 分析算法得到光脉冲之间的那些粒子位移，并最终获取 整个流场的速度信息【1 2 1 。 一般而言，p i v 技术主要由三部分组成( 见图l 一1 ) ，每一部分都有其严格 的技术要求。一是直接反映流场运动的示踪粒子，要求粒子的大小适中( 一般在 1 0 雎m 量级，球形) ，浓度( 播种密度) 合适，具有高的跟随速度、低的沉降速度( 密 度接近所研究的流体) 。在非定常流的测量中，粒子的跟随速度和沉降速度要根 据实际实验情况不断调整。总的说来，选取示踪粒子的原则就是：粒子的密度尽 量等于流体的密度，粒子的直径要在保证散射光强的条件下尽可能的小。 二是双曝光成像系统，要求把彳t 前后两流场的像“凝固”在同一幅胶片中， 曝光脉冲要尽可能的短( 一般为纳米量级) ，片光要尽可能的薄( 1 m m 以下) ，曝光 间隔即么t 也要随流场速度及其分辨率的不同可以调节( 一般为微秒至毫秒量级) 。 片光的厚度控制对于两维的p i v 来说非常重要，太厚就把三维的速度压入二维， 也就不能如实反应流场的二维分布。 三是图像处理系统。将粒子图像分成若干查问( 分辨) 小区，其划分原则要 求满足前提假设：同- - d 区内的粒子有相同的移动速度，并且作直线运动。在查 问光束的作用下，利用相关法等逐个处理小区，得到其速度数据。从而提取出整 个二维流场的速度分布信息。 2 浙江大学硕士学位论文 图1 1 ：p i v 系统的技术组成 1 2 1 2p i v 工作原理及其技术组成 早期的一些文献记述了p 1 v 的基本原理及其在流场测量中的应用。例如 g r a n t 于1 9 9 4 年主编的s p mm i l e s t o n es e r i e s ) ) 一书，包含了1 9 3 2 到1 9 9 3 年间 发表的7 0 多篇论文 1 3 1 。这些论文多数发表于8 0 年代，涉及到现代p i v 技术的 起源，早期的p i v ，有关低密度和高密度粒子的p w 发展，以及相关的光学技术 等等。事实上，在那些a d r a i n 和g r a n t 所写的关于过去几年p i v 发展历程的文 章中，还论及了数字p i v 的课题【1 5 】。 随着数字化技术的发展，p i v 测量已从过去只依赖于光机技术获得速度数据 的方法发展为借助于数字图像处理的快速算法实现实时测量。同时为避免速度方 向二义性，当前的p i v 测量已发展成基于数字视频技术，由c c d 数字摄像机替 代照相机进行粒子图像的记录，用单次曝光的连续两帧图像代替原来的一帧图像 的多次曝光，运用互相关代替自相关算法，测得流场的速度。由于数字粒子图像 3 浙江大学硕士学位论文 测速( d p i v ) 技术的发展，p i v 应用的领域逐步扩大，己从二维测量向三维测量、 单相流测量向多相流测量发展。如s o n g 对水一气泡两相流动进行了测量，用粒子 跟踪水的运动，将连续两帧图像中的粒子和气泡分别进行速度测量。 1 2 2 id p i v 系统 其实，典型的d p i v 系统和p i v 系统类似，包括两个子系统，即图像捕捉和 图像分析。考虑到所测量流场的多样性，不同的图像捕捉系统在配置上也有很大 的区别。例如，对于低速流，配置一个可产生平面光的激光器和一个一般的摄像 机，便足以满足研究要求。但是，对于高速流而言，这显然是不行的。这时，就 必须配备双脉冲激光器和高速同步摄像机。然而，这些设备非常昂贵，而且，如 果用于低速流的研究，也缺乏效率。图像分析的主要任务则是根据图像捕捉子系 统所获得的图像资料自动的测定粒子位移。而且，针对不同的图像质量，应选择 相应的图像分析算法以获取正确的速度场。 1 2 2 2 图像捕捉 d p i v 图像捕捉子系统一般包括播种、照明、获取、同步以及控制等几个部 分“6 】。一个典型图像捕捉系统的结构如图i - 2 所示： 图l 一2 ：p i n 图像捕捉系统 4 浙江大学硕士学位论文 1 2 2 3 播种 混入流场的粒子对于d p i v 图像质量影响很大。其中，粒子浓度和同质性是 两个主要因素。当然，在选择示踪粒子时还应考虑下面几点： ，流体介质( 空气，水) 需要跟踪的样本空间 流速 粒子的随动性能 光的散射度 粒子图像尺寸 安全因素 价格 一般而言，在液体中播种要比在气体中容易。对于那些高密度、高粘度，且 速度和加速度较低的液体，可使用较大的，容易观察的粒子。用少量水直接混合 粒子，然后加到流场中。那些具有玻璃涂层的直径大约1 0 p m 的粒子球，在以油 和水为介质的流场中，具有良好的散射性能和足够小的速度滞后性能。 而在空气流中，粒子补充是非常关键的。对于环绕气流( 如环流风管) ，需 不断的增加粒子以达到所需的浓度。但是，通过流管播种是很困难的。然而，一 些技术的引入解决了这个问题旧：用带有冲击盘的l a s k i n 喷嘴产生小粒子以排 除较大的粒子；产生的粒子可以沿着柔性管到达流场区；在含有示踪粒子的圆柱 容器底部放置鼓风机，形成一个流化层，从而将固体粒子或干粉驱散到气流当中； 通过空气传播的粒子可被管道运送至流场区并直接混入或散布。 1 2 2 4 照明 混有可散射光示踪粒子的流场需要用单色平面光进行照亮。而且光能必须足 以在短时间内记录粒子图像。尽管白色光源可以用于d p i v 测量，但是这种应用 在低速流中受到限制，因为它不能提供足够的能量，而且也很难在有效距离内保 持一个足够薄的平面光。基于这些原因，激光就被广泛地运用于d p i v 。激光是 一种高能密度的单色光，它能很容易的聚成一个平面，而且没有色差，以此照亮 5 浙江大学硕士学位论文 并记录示踪粒子的运动情况。 有两种方法可籍由c w 镭射光获得平面光：使镭射光通过一个圆柱透镜系 统并用机械、光学手段进行调整，或者通过一旋转镜来偏置镭射光“】。一束2 0 瓦的镭射光就可照亮一片7 5 c mx7 5 c m 的速度达每秒几米的水流区域。但是在速 度较高( 大于1 0 m s ) 或者粒子较小的情况下，c w 镭射光就不适用了。在高速 下，曝光时间难以保证，使得每次曝光能量不足，这样最终获得的图像，其对比 度就会很低。 现在双频钕激光的出现克服了c w 镭射光的这些缺点。y a g 激光系统就是 一种。这种镭射系统并排放置了两个脉冲激光腔，发出的光线混合在一起，并严 格遵循同一路径。双脉冲可记录粒子的运动，而两个腔可保证所有脉冲都有足够 的脉冲能量。 1 2 2 5 获取 p w 获取系统由照相机和帧接收器组成。在选择照相机时应考虑以下几个因 素： 流速的动态范围 最高流速 必需的p i v 分析技术 所实现的测量技术：2 一d ，3 - d ( 小角度或大角度) ，结合l i f p w 随着电子图像技术的发展，绝大多数情况下直接在c c d 阵列上记录图像以 代替摄影胶片。表l 一1 列出了对应具体d p i v 应用的c c d 相机特性： 表1 - - 1 ：所需的c c d 相机特性 应用特点所需c c d 相机特性 大范围测量高清晰的流高空间分辨率 场 低度散射光，大动态范围高灵敏度，彩色c c d 照明 大动态范围速度，高速流双像，一次曝光( 互相关) 单向流，小动态范围速度单像，多次曝光( 自相关) 6 浙江大学硕士学位论文 帧接收器则作为相机和主机之间的联系装置。帧接收器的选择通常取决于相 机的特性。除此之外，还主要应考虑下面几点： 数据传输带宽 数据线的宽度 机载图像缓冲 触发模式 附加的数字i o 口 帧接收器插板整合了d p i v 所需的所有可编程功能，或通常所说的流场绘制 技术：供标准相机使用的双通道数字图像接口，异步帧接收，可编程同步器，延 时发生器，高速数据传输等等。 1 2 2 6 同步控制 同步和控制要求有空闲系统可处理c w 扫描时的平面闪光，或者在脉冲镭 射照明系统中触发光脉冲。而且，它们还要求同步获取图像。其主要功能如下所 示： 光源和图像记录的同步 c c d 相机的曝光控制 图像获取顺序的内外触发，以及可选的时间延迟 系统中辅助装置的触发，例如激光调节器或机械快门 通常，用可编程脉冲延时发生器来完成同步和控制。可单独作用，也可由计 算机控制图像获取和分析。 1 2 2 7 图像分析 p i v 中，用于测定粒子位移的图像分析算法“踟可分为两种：对应高粒子密度 图像的算法和用于处理低粒子密度图像的算法。通常，前者处理图像的灰度，最 常用的计算原理就是互相关原理。后者则处理粒子坐标，因此被称为粒子跟踪测 速方法( p t v ) 。 7 浙江大学硕士学位论文 以前的众多的算法，绝大多数都是针对单相流动而发展的，即便是有也基本 上是针对气液和固液两相流的。单从各种p i v 或者p 1 v 算法原理这个层面来说， 适用于气液或者固液两相流的，也能用于气固两相流，但是在目前的以开发好的 软件直接用于气固两相流的计算还是有不少缺陷的。也正是基于此，我们在实验 前，对气固两相流的算法进行了相应的研究，并用m a t l a b 开发了一些小的实用 性软件，这将在我们下一章中作详细的介绍。 8 浙江大学硕士学位论文 第二章图像算法的研究 在第一章的最后我们提到过，目前很多p 1 v 算法都是针对单相流动的，而 且现有的软件也大都是针对单相流动的，因此对于我们的气固两相流来说，在实 验前，进行相应的算法研究也是很有必要的。由于存在两个不同的相，表示气固 两相的颗粒的大小也是不一致的，实验图像的颗粒间存在重叠现象是很正常的， 因此研究图像分离对获得不同相的速度场来说是至关重要的。而在图像分离后， 固相不是连续的，这样用传统的互相关法求速度场，会产生很多误矢量，这里我 们决定采用追踪单点颗粒的p 1 n 算法。 本章中我们分成两部分，第一部分介绍一种追踪单个固相颗粒盯v 算法， 即p c s s 算法，第二部分介绍一下图像分离算法。 2 1p c s s 算法 2 1 1 简介 现有很多基于灰度互相关的p i v 算法，因为这些算法要用到一个区域的灰 度，因此它们的计算的矢量结果其实是一个区域的平均速度，而p 1 v 算法是基 于单个粒子中心坐标的算法，因此它们的计算结果相对于p i v 算法来说，具有 很高的精度。由于粒子的三维中心坐标是可以获得的，因此p 1 v 算法是可以用 于三维流场的测量，而且只要在多相流中，粒子的中心坐标可以获得的话，它也 是可以用于多相流中的速度矢量的计算。 在目前的p 1 1 、，算法有，4 一p r i v 【1 9 1 ，b i c c r 2 0 1 2 1 1 1 2 2 ，d e l a u n a y 【矧等算法【2 4 j f 2 5 】。 4 一p 1 v 需要4 幅连续拍摄的图片，它根据粒子的轨迹是否平滑来识别粒子，但 是当粒子的数量增加时，其识别能力迅速的降低；b i c c 算法是根据粒子的重叠 面积来计算速度矢量的，它计算速度快，精度很高，但是它不能用于存在强变形 的流场；d e l a u n a y 算法的用的是跟有限元很相近的原理，因此其计算量很大，计 算速度也比较慢。因此继续发展更好的算法是很必要的，下面我们介绍的p c s s 不仅适合用于存在强变形的流场，尤其是旋转变形的流场，而且p c s s 对实验参 9 浙江大学硕士学位论文 数并不敏感，尤其是对粒子浓度和查询窗口的尺寸。 2 1 2 p c s s 算法的原理 假定获取连续两帧粒子图像的时间间隔f 一定且足够短，且被测流体的运 动速度在时间和空间上都没有剧烈突变。我们的目的是识别第一帧图像o 时刻) 上每一个粒子在第二帧图像( 件a 时刻) 上的位置。首先假设通过图像处理已经获 得了图像中各粒子的坐标中心。在第一帧图像中，以粒子f 为中心，半径尺作一 个查询区域j ，如图2 一l ( a ) 所示。在这个区域里，i 是有待识别的目标粒子。除 了粒子i 外，还有肘个粒子，我们称之为i 的关系粒子，用表示( ，胆l ，m ) 。 以粒子f 为中心，建立一个极坐标系，则其他的关系粒子与f 的关系可以通过极 角和极径来表示。在第二帧图像中。有可能与第一帧中f 粒子是同一个粒 子的，我们称之为f 粒子的候选粒子，用，表示。对于粒子，我们同样开一个查 询窗口j 如图2 - - 1 ( b ) 所示，并建立相应的极坐标系，厶( 胆l 一，) 是j 的关系 粒子，是关系粒子的个数，嘞，锄是关系粒子矗的极径和极角。 ( a ) p a t t e r n ，( b ) p a t t e r n j 图2 1 查询区域的极坐标系 在这里我们定义一个相似系数，用品表示，其计算表达式如下： - i r - r i ，e o - a 一i )。= 日b ， 一i ) 其中昂和岛是极径偏差和极角偏差的阀值，同力是一个阶跃函数， ( 2 1 ) 1 0 浙江大学硕士学位论文 撇炉器 工 0 y 0 其它 通常取晶垫像素，3 0 0 。 对于第二帧图像中的每一个f 粒子的候选粒子，我们都可以得到一个相似系 数，其中给出相似系数最大的粒子，我们就认为是在第二帧图像中的f 粒子。例 如，如果岛最大，则我们认为候选粒子，与f 粒子为同一个粒径。由于f ，j 粒子 的坐标位置已知，计算可得f 粒子的运动位移磊，假设拍摄的两帧图像的时间间 隔为& ，则f 粒子的速度可由下式求得： 驴譬( 2 一- - 2 一) 吒2 茗 理论上，第二帧图像的每一个粒子都有可能是f 粒子的候选粒子，如果第二 帧图像中的每一个粒子都和i 配对这是没有必要的，鉴于我们拍摄的图像在一个 很短的时间间隔垃，粒子在图像中最大的运动距离；一般不大。事实上，我们 在第二帧图像中以i 粒子的坐标为圆心，d m 。为半径画圆，则候选粒子就在这个 圆中。 2 1 3 算法的检验 为了检验p c s s 算法的有效性，以及查询窗口的尺寸、粒子的浓度、粒子尺 寸大小这些参数对该算法的影响，我们模拟产生了两种很典型流场，即旋涡场和 剪切场来进行检测，并将这些结果与b i c c 算法进行了比较。我们现在选用的这 两种流场已经被不少p 1 v 和p 1 、，算法的研究者成功的应用于准确性检测上矧。 用m o n t ec a r l o 仿真分别生成成对的旋转流场图和平板剪切流场图，图像的尺寸 为2 5 6 x 2 5 6 象素。对于旋转流场其速度场分布满足关系式( 2 - - 3 ) ，其中纳涡 量。而对于平板剪切流场的速度分布满足关系式( 2 - - 4 ) ，其中娓剪应力系数。 卜= - i 2 y ，a j( 2 3 ) i “，= 1 2 五a , 7 j u ，= - 2 y - 占( 2 4 ) 1 “，= 0 u 叫 浙江大学硕士学位论文 第一帧图像中的粒子的中心坐标 l ，y 0 是随机产生的，而第二帧图像中与之相对 应的粒子的中心坐标c 珏弛) 满足下面关系式( 2 - 5 ) 。 j 恐铂+ u , a t ( 2 - - 5 ) 【y 2 = y l - i - y 址 为了简便起见，两帧图像的时间间隔4 设为1 。而激光产生的片光的厚度及因为 颗粒的散射而产生的图像的变形，在这里是被忽略了的。与此同时单个颗粒轮廓 的亮度分别我们假设是满足高斯分布的，且中心处的光强为l o = 2 3 0 ，关系式如 下( 2 - 6 ) 式所示。其中，蚴是粒子的中心坐标，彩为粒子的直径。 眠_ ) ，吼e 醑塑铲) ( 2 - 6 ) 应用p c s s 算法对一个涡旋场和剪切场进行处理后，我们得到了如图2 - 2 和图2 - 3 所示的速度矢量场。 图2 2 涡旋场的速度矢量场( a = o 4 8l s )图2 3 剪切场的速度矢量场佃= o 0 9l s ) 2 1 3 1 可以计算的流场 由于以前的p 1 v 算法大多忽略了粒子模板的变形，因此这些算法大多不能 计算存在很强变形的流场。对于实体涡旋场，我们模拟产生了涡量从o 1 6 到0 6 s - 1 的图片，而对应于每一个涡量，模拟生成了1 0 0 对图片。准确率是这些结果 的平均值，对于准确率啦我们的定义如下面的( 2 7 ) 式： 正确的矢量 ，7 5 雨甄丽 ( 2 7 ) 对于涡旋场，准确率幌涡量枷q 函数，用p c s s 算法的检测结果如图2 - 4 浙江大学硕士学位论文 所示，图中也显示了与b i c c 算法计算结果的比较。很明显，当珊比较小时，两 种算法都可以获得很高的准确率，但是当c o - & 于0 3 6 时，b i c c 算法的准确率迅 速的降低，而p c s s 甚至当邀到0 6 时，依然有很高的准确率。这可以用p c s s 算法的原理来解释，p c s s 不仅考虑了目标粒子周围关系粒子的移动距离，也同 时考虑了它们的偏移角度，而b i c c 算法只考虑粒子间的重叠面积，但是当础曾 大，颗粒将很难重叠。 1 0 9 0 8 0 7 0 0 套0 6 0 4 0 3 n 0 1 60 2o 钳0 2 1 1o 越0 3 6o a0 4 4 0 4 8o 配0 5 60 6 c o ( s ) 图2 4 准确率是涡量的函数( 其他的仿真参数d p = 5 p i x e l ； 却0 0 7 p p p ：p c s s 算法r = 5 5 p i x e l ，b i c c 算法r = 2 5 p i x e l ) 同上面一样，我们也将p c s s 算法与b i c c 算法对剪切场计算后的结果进行 比较，如图2 5 所示。准确率提剪应力系数函数。从图2 4 中我们可以看出， 当e 0 1 2 后，两种算法的准确率都开始下降，当然在整个 范围内，p c s s 算法的准确率要略高于b i c c 算法。 从上面我们可以看出，p c s s 算法相对常用的b i c c 算法具有非常明显的优 浙江大学硕士学位论文 势，尤其存在很强的旋转变形的流场中。 2 1 3 2 粒子图像浓度和粒子直径对算法的影响 粒子浓度是一个在实验前要被确定的参数。在这里粒子浓度p 定义为每个 象素上粒子的数量，单位为p p p 。模拟生成的粒子图像的粒子浓度范围从0 0 0 1 5 到0 0 1 。 对于旋涡场，模拟生成的图片的参数如下，涡量= 0 3 2s 1 ，粒子直径 d t , = 5 p i x e l ，p c s s 算法的查询窗1 ：ir = 5 5 p i x e l ，b i c c 算法的查询窗口r = 2 5 p i x e l ， 两种算法的计算结果比较如图2 - - 6 所示，在这里准确率即是粒子浓度坼的函数。 由图可知，p c s s 算法的准确率一直都比b i c c 的高，尽管随着粒子浓度坼的增 加，p c s s 算法的准确率在逐渐下降，但是依然高于9 0 。b i c c 算法在粒子浓 度为0 0 0 3 5 附近时具有最高的准确率，而p c s s 算法则在粒子浓度偏低时能 够获得更高的准确率。 o , 0 0 10 2o , 0 l 珞0 0 0 4o t x j ou x o 叩，u , k * o , u t 目叫1 j r ( p p p ) 图2 6 准确率是粒子浓度的函数( 其他的仿真参数d p = 6 p i x e l ；( o - - 0 3 2s - l ； p c s s 算法r - - 3 0 ，b i c c 算法r = 2 5 p i x e l ) 粒子直径也是一个需要在实验前确定的参数。在这里我们模拟生成直径l 到1 0 个象素的粒子图像。对于涡旋场，涡量确0 3 28 - 1 。两种算法结果的比较 如图2 - 7 所示，准确率是粒子直径咖的函数。在图中，对于两种算法，准确率 都是单调递增。需要注意的是，粒子直至a p = 3 p i x e l 是一个转折点，当粒子直径 大于或等于3 p i x e l ，两种算法几乎都能获得很高的准确率，但是当粒子直径小于 3 p i x e l 时，两种算法几乎不能获得可以令人信服的准确率。 1 4 ， h 浙江大学硕士学位论文 1 0 9 0 , t l 0 7 0 e 套0 5 0 4 0 3 0 , 2 0 - 1 而( p i x e l ) 图2 - - 7 准确率是粒子直径的函数( 其它仿真参数 卸0 0 3 p p p ： n 卸3 2 s ；p c s s 算法r = 5 5 ，b i c c 算法r = 2 5 p i x e l ) 而对于剪切流，两种算法的准确率r ，对应于粒子浓度和粒子直径勿的分 析比较分别如图2 - 8 ，图2 9 所示。 1 0 - 9 0 8 0 7 0 套0 j 0 4 o a 0 2 n 1 0 10 0 0 2o m 30 , 0 0 4 5o b0 0 0 7o bo m0 - 0 1 m ( p p p ) 图2 8 准确率是粒子浓度的函数( 其它仿真参数d p = 6 p i x e h 脚0 9l s ： p c s s 算法r = 3 0 p i x e l b i c c 算法r = 2 5 p i x e l ) 1 0 9 0 8 o 7 0 6 套0 5 0 a 0 3 0 , 2 0 1 如( p i x e l ) 图2 9 准确率是粒子直径的函数( 其它仿真参数n p - - - 0 0 0 7 p p p ；e = o 0 91 ，s ； p c s s 算法r = 3 0 p k v , e l , b i c c 算法r = 2 5 p i x e l ) 从上两幅图我们可以看出，在剪切流场中，粒子浓度坼和粒子直径勿对两 种算法的影响基本上是差不多的。 1 5 浙江大学硕士学位论文 2 1 3 3 查询窗口尺寸的影响 与粒子浓度和粒子直径不同的是，查询窗口尺寸的大小是实验后选取的。通 常，如果查询窗口的尺寸太小，两个比较模板将没有足够的信息来提取速度矢量， 而如果查询窗口的尺寸太大，这不仅容易产生误矢量，也很浪费时间。 我们选择如下参数t o = 0 3 2s 1 ，t ，r - - o 0 0 3 p p p ，a n dd v = 5 p i x e l 产生涡旋场的粒子 图像。计算查询窗口r 从1 5 p i x e l 到8 5 p i x e l 的准确率，结果如图2 一l o 所示。 从图中我们可以清楚的看到，当r 2 0 p i x e l 1 o j 0 , 8 0 7 0 , 8 0 1 5 0 4 0 3 0 2 0 1 051 0 1 52 0 3 0 拍4 04 55 0 鞴格7 0 碍8 08 5 曰( p i x e l l 图2 一1 0 准确率是查询窗口尺寸的函数( 其它仿真参数 “p - - 0 0 0 3 p p p ； n 卸3 2 s 一：d p = s p i x e l ) 时，p c s s 算法的准确率基本上是一条近似不变的水平线，当r 2 0 ，准确率相对 要偏低，这是因为，当查询窗口尺寸太小时，查询模板中的关系粒子太小，以至 于无法正确的识别目标粒子。尽管当r 3 5 时，它的准确率也急剧的下降。 图2 1 l 是剪切流场的准确率的比较图。生成粒子图像的参数如下： n p = 0 0 0 7 p p p ；脚0 9l s ；d p = 6 p i x e l 。从图2 - - 1 1 中，我们可知，当r 3 5 时，p c s s 算法的准确率要明显 高于b i c c 算法。 1 6 浙江大学硕士学位论文 1 o j 0 8 0 ， 0 6 l 0 5 0 4 0 j 0 i 0 1 051 0 1 5 筠3 0 4 0 撕酾8 0 7 07 58 0 r ( p i x e l ) 图2 一1 1 准确率是查询窗口尺寸的函数( 其它仿真参数n p 卸0 0 7 p p p ： e - - - 0 0 9l s ；d p - - 6 p i x e l ) 2 1 4 实际应用 为了进一步验证p c s s 算法的有效性，两幅在平板搅动下的单曝光粒子图像 被用来检验。这两幅图像是日本学者h a y a m ie t a l 拍摄的，并公布在网上以供 其他的学者来检验p i v 或p 1 、，算法的有效性。两幅图像间的曝光时间为1 3 0 秒， 图像大小为5 1 2 x 5 1 2 象素，实验图像如图2 一1 2 a ，b 所示。 ( a ) 第一帧( b ) 第二帧 图2 1 2 原始实验图片 图2 1 3 是我们利用p c s s 算法计算后获得的速度矢量场，从图中可以看出 在漩涡附近，存在很大的速度梯度，但是p c s s 算法依然成功的识别了那里大量 的速度矢量。在p c s s 算法中，总共有6 8 8 个速度矢量，其中正确识别6 6 4 个。 h a y a m ie ta 1 提供了一些其他胛v 算法获得的矢量数渊，我们把这些数据及 p c s s 算法获得的数据一起放在表2 1 中。从表中我们可以看出p c s s 算法正确 识别速度矢量的能力很强。 1 7 浙江大学硕士学位论文 = ，3 耄 2 t 3 0 0 4 o j t p m ) 图2 1 3 实验图片的速度矢量场 表2 一l ：p 1 v 计算速度矢量结果的比较 速度矢 算法备注 量 p c s s 6 6 4 去除误矢量后 b i c c6 5 0 需要较长的计算时 4 一p t v6 0 4 间 2 1 5 结论 p c s s 算法的本质就是同时考虑粒子间的运动距离和角度偏移，与b i c c 算 法比较后，我们发现p c s s 非常适合用于存在强变形的流场，尤其是旋转变形的 流场。无论是漩涡场还是剪切场，p c s s 对实验参数并不敏感，尤其是对粒子浓 度和查询窗口的尺寸，因此p c s s 在应用上受限相对较少。p c s s 像b i c c 只需 获得粒子的中心坐标，计算所需时间很短，因此其可以用于实时测量和三维测量。 2 2 重叠颗粒的分离 在p i v 图像中，如果粒子的浓度稍高，粒子间重叠是经常发生的，如果我 们要用上面介绍的盯v 算法去计算速度矢量，就必须获得粒子的中心坐标，而 浙江大学硕士学位论文 要获得比较精确的中心坐标，对重叠粒子进行分离是很必要的。在实际的实验中， 我们所用的示踪粒子都是圆形的，所以在下面的研究中，其实就是对重叠的圆形 颗粒进行分离，不过很遗憾，在研究重叠粒子分离时，还没有实际的气固两相流 的p w 图像，这里我们只能用一些存在灰度变化的，颗粒大小不一的煤粉图片 进行我们的研究。 2 2 1 简介 圆形或近圆形物体在现实中广泛存在，如工业中的许多零件，农业中大量的 果实，医学和生物学上的细胞、红血球等，因此圆弧的分离和识别在计算机图像 识别和分析2 9 1 中占有很重要的地位。对圆弧的识别一般包括对其形状本身的识 别及圆弧的两个重要特征参数圆心和半径的提取。在过去有不少的学者进行过这 方面的研究，其中较多的方法是采用对颗粒图像进行二值化以找到颗粒的边界， 然后通过一些经典的算法如h o u g h 变换【3 0 1 、基于交点的检测算法或迭代算法 3 1 1 3 2 1 3 3 1 复原这些圆形颗粒。传统的方法在处理一些颗粒数目有限、颗粒大小相 似的图像获得了较好的结果。然而对于如图2 1 4 所示的图像，颗粒间互相重叠 得非常厉害、颗粒大小和灰度值有很大的变化，如果经过二值化处理会使大量的 颗粒消失。在复原圆形的算法中，尽管h o u g h 变换比较简单，但是参数不易选 择，并且计算量大。基于交点的检测算法大多用曲率极值法，该方法的一个很重 要的缺陷就是对噪音敏感，由于要对每点计算曲率所以其计算量大，一些参数的 选择也要依靠经验。同时为了比较精确的计算曲率，图像往往要进行平滑处理， 而平滑处理常常会丢失一些有用的信息，如一些转交点给钝化了，以至于在后面 的处理中根本就检测不出来。迭代算法尽管简单，精度高，也不依赖于参数，但 是它把圆弧分成太多段，这不可避免地使圆弧的归类更加困难，并且增加了计算 时间。 1 9 浙江大学硕士学位论文 图2 一1 4 煤粉颗粒的