（固体力学专业论文）基于数字粒子成像的细水雾全场诊断方法.pdf

摘要 为了实现对细水雾雾场粒径和速度等特性参数的全场诊断， 本文研究并发展了基于数字粒 子 成 像的p i v s 伊 a rt ic l e i m a g e v e lo c im e t ry a n d s iz i n g ) 方 法， 并 对 细 水 雾 在不同 工 况 条 件 下的 粒 径 和速度等特性参数进行了实验钡 1 量研究，同时通过模拟实验研究了不同工况条件下细水雾与火 焰相互作用的过程。 本论文的主要工作包括以下几个方面: ” 在对粒子场测量的相关理论和具体方法进行综 述分析的基础上， 提出了 通过采用激光片光对粒子场进行成像以 获取其粒径和速度等参数分布 的新思路;( 2 ) 研制了 适宜于低速流动速度场侧量的d p i v ( d i g it a l p a rt ic l e i m a g e v e l o c i m e tr y ) 系统，并使其实现了对粒子场粒径分布的 测量功能:( 3 )研制了基于粒子运动轨迹的速度场重 建算法，获取了细水雾雾场的速度分布;( 4 )研制了基于几何校正、去噪、图象分割等图象处 理方法的“ 粒度分析软件系统” ， 该系统既可分析给出粒子场的 粒径分布直方图和平均粒径， 还 可给出粒子的 数目 以 及最大、 最小粒径等信息;( 5 ) 建立了一细水雾发生系统，并应用上述方 法对不同压力条件下细水雾系统的雾场特性 ( 如速度分布、雾滴粒径分布、雾滴的数目、喷雾 张角以及雾化长度等)进行了实验测量研究;( 6 )对细水雾特性参数的 p i v s测量结果与计算 机简单 模拟计算结果 进行了 定性比 较分 析， 并 利用平均粒径为5 0 y a m和1 1 5 la m的 玻 璃球以 及 1 2 1 a m的 标准示 踪粒子对p i v s 系统的 粒径和 速度测量结果 进行了 实 验验 证， 同 时对 其局限 性进 行了 分 析讨论; ( 7 ) 对不同工况 条件下 细 水雾与油 池火相互作 用的 过 程进行了 模拟实 验研究。 厂 基 于 以 上 研 究 工 作 ， 本 论 文 得 到 了 以 下 结 论 : ( 1 ) 本 文 研 究 和 发 展 的p i v s 方 法 在 细 水 雾 雾场诊断中是切实可行的，且与p d a , d p i v等技术相比具有明显的优点，它既可以获取粒子 场的整场速度信息， 还可以 获取粒子 场的粒径分布信息，同时可对喷雾场的雾化锥角等特性参 数进行实验测量: ( 2 ) 实验测量结果与简单模拟计算结果的比 较表明， 细水雾粒径分布的p i v s 测量结果是定性合理的，且在不同的压力等条件下，其具有不同的分布形式;( 3 ) 验证实验结 果 表明， p i v s 方 法对大 粒子( 平均粒 径约 等于 或大于1 0 0 la m ) 粒径的 测 量结果以 及对粒子 场速度 分布的重建结果都是比 较可靠的，其测量误差可控制在 5 %以内， 但对小 粒子( 平均粒径约等于 或小于5 0 l a m ) 粒径的测量来说， 会存在很大误差， 需要进一步通过改善其成像系统的相关性能 等来提高测量精度:( 4 ) 细水雾与油池火相互作用的模拟实验结果表明:燃料表面距喷口的距 离越远火焰越难熄灭，且当压力低于。 . 6 mp a 时，这一影响尤为明显:压力对细水雾的灭火有 效性具有极其明显的影响作用，但当压力大于0 . 9 mp a 时压力对细2火效果的影响不再 明显;脉冲式细水雾作用方式有助于提高细水雾灭火的有效性。 关 键 “ “ 瞥 速 瞥 臀p沙 ld v ipd a , 瞥 abs tract i n o r d e r t o re a l i z e t h e d i a g n o s t i c s o f t h e f i e ld c h a r a c t e r is t i c s o f p a r t i c l e s iz e and v e lo c i ty w i t h i n a w a t e r m i s t , a m e t h o d n a m e d p ns ( p a r t i c le i m a g e v e l o c i m e t ry a n d s i z i n g ) a n d b a s e d o n d i g it a l p a rt i c l e im a g e s w a s d e v e lo p e d . t h e n t h e p ro p e rt i e s o f w a t e r m is t u n d e r d i ff e r e n t c o n d i t io n s , s u c h a s d r o p l e t s iz e a n d v e l o c i ty , w e re o b t a i n e d b y e x p e r i m e n t a l m e a s u r e m e n t s w it h p ns . i n a d d i t i o n , s o m e e x p e r i m e n t s w e r e p e r f o r m e d t o s t u d y t h e i n t e r a c t i o n p roc e s s o f w a t e r m i s t w i t h l i q u i d p o o l f ir e s u n d e r d i ff e r e n t c o n d i t io n s . t h e t r a in re s e a r c h w o r k o f t h i s p a p e r a r e f o c u s e d o n f o l l o w i n g a r e a s : ( 1 ) b a s e d o n r e v i e w o f t h e t h e o ry a n d m e t h o d s o n m e a s u r e m e n t s o f p a rt i c l e f i e ld s , a n e w i d e a f o r o b t a i n i n g p a rt i c l e s i z e a n d v e l o c it y d i s tr i b u t i o n w i t h i n a s p r a y t h r o u g h i m a g i n g t h e p a r t i c l e fi e l d w i t h a l a s e r l i g h t s h e e t w a s p u t f o r w a r d ; ( 2 ) a d p i v ( d i g i t a l p a r t i c l e i m a g e v e l o c i m e t ry ) s y s t e m , i s fi t f o r v e lo c ity m e a s u r e m e n t s o f l o w s p e e d fl o w s , w a s d e v e l o p e d a n d e x p e n d e d t o p a r t i c l e s i z e d i s t r i b u t i o n m e a s u r e m e n t ; ( 3 ) a n a r i t h m e t i c f o r p a r t i c l e v e lo c i ty f ie l d r e c o n s t r u c t i o n w a s d e v e lo p e d , a n d t h e v e l o c i ty d is tr i b u t i o n o f w a t e r m i s t w a s a l s o o b t a in e d ; ( 4 ) a s o f t w a r e s y s t e m f o r p a rt ic le a n a l y s i s , w h i c h b a s e d o n i m a g e g e o m e t ry e m e n d , d e - n o i s e a n d i m a g e p a r t i t i o n w a s d e v e l o p e d , t h e p a r a m e t e r s s u c h a s p a rt i c l e s i z e d i s t r i b u t io n , m e a n d i a m e t e r , n u m b e r o f p a rt i c le s , m in i m u m a n d m a x i m u m d i a m e t e r c a n b e g o t w i t h t h i s s y s t e m ; ( 5 ) a w a t e r m i s t s y s t e m w a s d e v e l o p e d a n d i t s c h a r a c t e r i s t i c s , s u c h a s d r 叩l e t v e l o c i ty , s iz e d i s tr i b u t i o n , n u m b e r o f d r o p l e t s and s p r a y c o n e a n g l e u n d e r d i ff e re n t c o n d i t i o n s w e re o b t a i n e d fr o m e x p e r i m e n ts w it h p ns ; ( 6 ) t h e m e a s u r e m e n t r e s u l t s o f w a t e r m i s t c h a r a c t e r i s t i c s w i t h p i v s w e re c o m p a r e d a n d ana l y z e d w i t h t h e s i m p l y s i m u l a t e d re s u lt s , an d in a d d it i o n , i n o r d e r t o v e r i f y t h e a c c u r a c y o f p i v s , s o m e e x p e r i m e n t s w e r e c o n d u c t e d w it h t h e s t a n d a r d p a rt ic l e s , s u c h a s g l a s s - b a l l w i t h k n o w n m e a n d i a m e t e r o f 5 0 p i n and 1 1 5 p i n , m e t a l l i c c o a t e d t r a c i n g p a r ti c l e w it h m e an d i a m e t e r o f 1 2 k m ; ( 7 ) s o m e e x p e r i m e n t a l s t u d i e s o n i n t e r a c t i o n o f w a t e r m i s t w i t h l i q u i d p o o l f i re s w e re c o n d u c t e d . 考 b a s e d o n a b o v e w o r k , f o l l o w in g c o n c lu s io n s c an b e d r o w n : ( 1 ) i t i s f e a s i b l e t o u s e p i v s f a r p a r t i c l e f ie l d d i a g n o s t i c s , and t h e p i v s m e t h o d h a s m o r e m e r i t s t h an p d a a n d d p 以 f o r i n s t a n c e , n o t o n l y t h e v e l o c i ty d i s tr i b u t i o n o f p a r t i c l e s c a n b e o b t a i n e d , b u t t h e p a r t i c l e s iz e d i s t r i b u t i o n , and t h e s p r a y c o n e ang l e c an b e o b t a i n e d ; ( 2 ) t h e c o m p a r i s o n r e s u lt s b e t w e e n m e a s u r e m e n ts a n d s i m u l a t e d s h o w t h a t t h e w a t e r d r o p le t s s i z e d i s tr i b u t i o n m e a s u r e d w i t h p i v s i s q u a l i t a t i v e r e a s o n a b l e , a n d i t m a y h a s d i ff e r e n t d i s tr i b u t i o n s u n d e r d iff e re n t p r e s s u r e c o n d i t i o n s ; ( 3 ) t h e r e s u lts o f v e r i f ic a t i o n e x p e r i m e n ts s h o w t h a t p i v s t e c h n iq u e i s m o r e re l i a b l e f o r l a r g e r p a rt i c l e s ( w it h m e an d i a m e t e r e q u a l t o o r la r g e r t h a n 1 0 0 f u n ) s i z e m e a s u r e m e n t s a n d p a r t i c le v e l o c i ty d i s t r i b u t i o n r e c o n s t r u c t i o n , t h e m e a s u r e m e n t e r r o r s c a n b e r e d u c e d l e s s t h an 5 %, b u t t o s m a l l p a r t ic le s ( w i t h m e a n d i a m e t e r e q u a l t o o r s m a l l e r t h an 5 0 g m ) s i z e d is t r i b u t io n m e a s u re m e n t s , t h e e r r o r s c an b e e n l a r g e d e n o u g h a n d s h o u l d b e re d u c e d t h ro u g h i m p r o v e m e n t s o f t h e i m a g e s y s t e m ; ( 4 ) t h e r e s u l t s o f s im u l a t e d e x p e r i m e n t s o f w a t e r m i s t w it h p o o l f i r e s s h o w : t h e f a r t h e d is t a n c e b e t w e e n f u e l s u r f a c e a n d n o z z l e , t h e d i ff i c u l t t h e fl a m e c a n b e e x t in g u i s h e d , s i m i l a r r e s u l t s m a i n ly o c c u r w h i l e t h e p r e s s u re l e s s t h a n 0 .6 m p a ; p r e s s u r e h a s a n o b v i o u s e ff e c t s o n f ire e x t i n c t i o n w it h w a t e r m is t , b u t w h e n t h e p re s s u r e i s l a r g e r t h a n 0 .9 m p a , it s i n fl u e n c e s c a n b e i g n o r e d ; p u l s e d i n j e c t i o n o f w a t e r m i s t c a n i m p r o v e it s e ff i c i e n c y o f f ir e e x t in c t i o n . k e y w o r d s : s iz e d is t r i b u t i o n , v e lo c i ty d i s t r i b u t io n , d p i v p i v s , l d v i p d a , wa t e r 而s t 序 本人非常荣幸能于 公元一九九九年三月师 从于中国 科学院院士、 中国 科学 技术 大学工程科学学院院长伍小平教授。 在伍老师的悉心指导和无微不至的关怀下， 开 展了 攻 读 博 士学 位的 研究 工 作 一基 于 数字 拉 子 成 像的 细 水 雾 全 场 诊断 方 法 的 研究。 无论是在论文选题、研究内容的确定，还是在研究计划和研究方案的制定等方面， 伍老师均给了 我精心地指导， 并多次亲自 参加和指导有关的实 验研究工作。 她那严 谨的治学态度和勇于创新的进取精神鞭策和启发了 我， 将使我在学术研究的征途中 受益终生。因 此，本人谨以此文向她表示最衷心的感谢! 此外， 在我论文工作期间，中国 科学技术大学副 校长、中国 科学技术大学火灾 科学国家重点实验室主任范维澄教授和火灾科学国家重点实验室副主任廖光煊教 投在时间和经费 等方面 给了 我很大的支 持和帮助， 并 在生活、 学习 等诸方面 给我以 诸多的关怀和教导，特向他们表示衷心的感谢! 同时感谢中国科大工程科学学院分党委书记尹协振教授和常务副院长何世平 教授在我论文工作开展之初给予的有益建议和指导! 本工作中细水雾发生系 统的 研制， 和细水雾与油池火 相互作用的 模拟实 验等工 作中 曾 得到了 秦俊副 研究员、 厉培 德老 师的 真 诚帮 助， 特 在此向 他们 表示 衷心 感 谢! 本 课题组研究生韦亚星同 学在软件程序的调试等方面给了 我很大的帮助， 特在 此表示衷心感谢! 另外， 在本论文工作中， 还得到了翁文国、陆强、刘江虹、崔正心和朱伟等同 学的帮助，在此向他们表示衷心的感谢! 本论文得到了国家自 然科学基金项目 和中国科学院大型仪器功能扩展项目以 及 “ 知识创新工程”项目 的资助，在此表示衷心感谢! 最后， 特别感谢我的妻子蔡永莲及其家人对我学习 和工作的尽力支持， 并感谢 聪明可爱的儿子王文恺给我的工作和生活增添的无限乐 趣! 王 喜 世 2 0 0 1 年1 2 月于中国科大 基 门 二 致 字 教 子 成 像 的 细 水 象全 场 1 今所 b l i4中 国料 学技 术 ， 学 俘 t 学位 论 文后 毛吝 世 第一章引言 1 . 1研究背景 众所周知，流体的速度和流场中粒子大小等特性参数的实验测量是流场显示和 定量测量研究的主要内 容，因此， 研究和发展科学、 有效的流场全场实验诊断方法， 无疑具有十分重要的科学意义和应用价值.如流体力学等学科研究中理论模型的建 立和验证，需要上述实验数据的支持;在飞机等飞行器的性能设计和试飞测试中， 常常需要测量风洞中的流场及其粒子的散布规律;在燃油发动机的研究中，为了节 约能源、提高效率和减少污染，通常需要研究燃烧室内燃油的雾化及扩散过程并测 量油滴的尺寸及其速度分布，从而为正确设计燃油喷嘴和燃烧室外形、选择合适的 油气混合比提供依据;在各种爆炸研究中，需要研究爆炸过程中的气溶胶微粒的粒 子数量、谱分布及其扩散规律;在各种喷雾现象及喷雾器械的研究中 特别是细水 雾灭火和热表面的 喷雾冷却研究) ， 需要测量雾滴的速度分布、 粒径分布和雾化锥角 等;在两相或多相流研究中，需要研究固体或液体粒子与湍流流体 ( 液相或气相) 相互作用的 过 程n 。 总 之， 流场 特性参数的 全 场测 量在能 源与环境、 国 防、 机 械、 化 工、冶金、医药、食品和农业等部门的相关研究中均有广阔的应用前景。 如随着现代社会的发展与科学技术的进步，对抑制和熄灭火灾的方法提出了更 高的要求，即:快速响应、灭火有效、对环境和逃生人员安全、对扑救和防护对象 无污染和无破坏作用等，特别是要能快速应付特殊火灾 ( 如计算机房、程控交换机 房火灾等)的严峻挑战。抑制和熄灭火灾的传统物理方法 ( 诸如水喷淋技术)己无 法满足这些要求;传统的化学方法 (诸如气体灭火技术 )对人员有危害极大的窒 息作用;而卤代烷系列灭火剂 ( 哈龙 1 3 0 1 . 1 2 1 1 等)则严重破坏大气臭氧层，因而 联合国环境保护公约一加拿大蒙特利尔公约( 1 9 8 7 年) 已明确对各国提出具体目标， 要 求在二十一 世纪 初叶 取代卤 代烷系 列灭火 剂 r 1 。 我国 政府也己 于1 9 8 9 年9 月 加入 了 保护臭氧层的维也纳公约 ，并于 1 9 9 1 年签署了 关于臭氧层物质的蒙特利尔 议定书伦敦修订案。 世界上发达国家已于1 9 9 4 年1 月1 日开始停止生产哈龙系列 灭火剂。而细水雾 ( w a t e r mi s t )( 通常将距喷头 1 米平面内9 9 %的雾滴滴径小于 1 毫米的水雾称为细水雾3 1 ) 因其对环境无污染、 对保护对象和现场人员安全、 灭火迅 速、耗水量小等优点被作为卤代烷系列灭火剂的主要替代品。因此，关于细水雾特 常 幸引宫 性及其灭火机理及有效性的研究备受全球各国的重视，并成为当今国际火灾安全科 学 研究 的 前 沿 热点 之 一 4 .9 1 然而，尽管这几年国际上对细水雾灭火方法与技术的研究取得了新的进展，并 在细水雾与火相互作用的机理研究方面开展了相关的研究工作。但在深化认识细水 雾与火焰相互作用的机理、优化细水雾发生系统性能等方面，仍面临一定的困难， 即缺乏一种科学有效的方法能对细水雾的雾场特性 ( 细水雾雾滴的尺度分布、速度 分布和雾化锥角等)进行实时的全场诊断分析。而细水雾的上述特性恰恰被认为是 影响细水雾灭火效果的最主要的参数，因而在研究细水雾防灭火机理和灭火系统的 设计中是必须首要考虑的 特性指标19 1 。定性的 模拟实验已 告诉我们， 不同的细水雾 粒径和速度分布，直接影响着细水雾与火焰相互作用的动力学过程，进而影响细水 雾的灭火效果。但对于某一种具体的火灾， 上述参数在什么范围内 取值、什么样的 空间分布对灭火才最有效等问题，还没有一个科学明确的认识。其主要原因是目 前 还没有一种可对细水雾雾场上述特性参数的场分布进行实时测量的有效方法。 目 前主要采用的方法是基于激光多普勒信号分析的 “ 点 x q 量技术， 如l d v ( l a s e r d o p p le r v e l o c im e tr y ) , p d p a ( p h a s e d o p p le r p a r ti c l e a n a ly z e r ) 等1 0 j u 。 上 述方 法 在流 场测量中的精度虽较高， 但它们要求被测试流场中的粒子必须是球形的，且均属于 “ 点” 测量技术， 应用前者只能测量速度。因此，要想采用l d v或p d p a技术获取 流场特性参数的时空分布信息，就必须对测试流场通过选择特征点进行逐点测量。 这对于象细水雾这样的非稳态流场， 其粒径和速度的分布均具有明显的时空分辨性， 因而采用上述方法难以科学准确地揭示其雾场特性参数的时空分布规律。近年来发 展起来的粒子图 象测速( p i v , p a r ti c l e i m a g e v e l o c i m e t ry ) 技术虽可获取流场速度的时 空 分 布 p 2 - 14 1 ， 且已 发展 为 数字 粒子图 象 狈 速( d p i v , d ig it a l p a rt ic le i m a g e v e lo c im e t r y ) 技术并己实现了三维测速 i s -2 4 。但其在流场中 粒子大小的测量方面的相关研究工作 刚刚起步，且基本上都是通过向流场中施加荧光染料物质并假定粒子的散射光强与 粒子直径的 二次 方成正比 ( 即 平方 律) 来测量粒径大小的 2 i -2 7 ， 且 采用上 述方法通 常只能得到球形粒子的索太尔平均直径 ( s m d , s a u t e r m e a n d i a m e t e r ) . i n e i c h e n 等 人曾指出， 通过激光散斑成像测粒径大小并同时利用互相关算法获取流场的速度场， 将是一 个比 较 有 效的 途 径2 8 1 基 云 卜 数 字 杜 于 成 像 的 细刁 象 全 场诊 断 方法中国科 学 技 术 大 学 俘d 二 学位 论 大月 毛 书. 1w 本工作所研究发展的流场全场诊断方法p i v s 与传统的l d v或p d p a相比，它 可以获取粒场速度和粒径的时空分布信息，且在测量原理上对测试对象没有球形假 设的限定; 其与d p i v技术相比， 它在获取流场速度信息的同时， 可以获取流场中粒 子的尺度分布等信息， 且不受d p n方法中互相关算法对粒子像密度要求的限制， 因 为本方法在重建雾滴速度场时采用的不是互相关算法，而是通过雾滴运动轨迹的识 别和相应分析来进行的。 此外， d p i v技术要实现对流场速度的测量， 一般都要在流 场中施加示踪粒子，而本工作所研究的方法直接以喷雾场中的雾滴作为成像对象， 从而既经济又减少了对示踪粒子跟随性等问题的要求。更重要的是避免了示踪物质 的施加对细水雾雾化机理和雾化特性的直接影响，且无须从理论上对粒子的形状和 光散射特性进行假定。因此，本方法可为能源与环境、国防、机械、化工、冶金、 医药、 食品和农业等部门的相关研究中 对流场特性参数的多 参数全场测量提供科学、 快速、有效的实验诊断方法。 1 . 2国内外发展现状 众所周知，早在 1 7 3 2 年由法国工程师h . p i t o t 为测量水流速度而发明的皮托管 至今还在被广泛使用。1 9 1 4年发明的热线热膜风速仪更是为流体力学和燃烧学等学 科的 发展立下了 汗马功劳 12 9 ) 。 但上述方法均 属于接触性测量 方法， 因 而会干扰被测 试的 流场， 且 通常局限 于对低 温、 低速、 低 紊流 度流场的 诊断 3 0 1 . 2 0 世纪7 0 年代初 发展起来的激光多普勒测速技术 ( 简称l d v )实现了非接触测量， 从而克服了测试 方法对流场的干扰，并很快成为流场参数测量的有力工具，但它和热线热膜风速仪 一样，只能进行单点测量，且不能获取粒径大小。因此， 后来又在l d v基础上发展 了 基于相位多普勒分析的 相位多普勒测速技术 ( 即 p d a i p d p a ) 1 ， 该技术除了 可 获取流场的速度外，还可以获取粒径分布和浓度等信息，但该技术仍局限于点测量 和球形粒子的假定。为了获取流场的空间分辨信息，r h e i m s 等人 1 9 9 9 )提出了一 种差 动激光多 普勒测 速技术( d i ff e r e n t i a l la s e r d o p p l e r a n e m o m e t e r , d l d a ) ， 该方法采 用了一快速线扫描传感器，能同时 测量粒子的大小和折射指数3 2 1 ， 但该方法的理论 基础仍旧基于球形粒子假定，且将不是流场测量方法发展的主要趋势。针对以上困 难和问题， 近年来发展了基于粒子图像的d p n 技术及其扩展方法， 在实现流场速度 的全场诊断和多参数测量方面取得了很大发展，且己成为流场诊断方法发展的主要 一 ， ， ， ， 的 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ， . ， . . . . ， 一一 一 -一 -，.，.月.口.目口. .， 口 -.， ，叫 户 山 一- 第 索引宫 方向，并在方法原理、技术实现和应用研究等方面得到了迅速发展，其具体表现在 以下几个方面: ( i ) 在粒子图 象的获取方面除实 现了 跨祯技术 13 1 和采用单幅三脉冲技术 1 6 1 记录 粒子的相位信息外，主要通过采用高性能的成像技术或设备来提高粒子图像的获取 速 率 14 , 17 1 。 如h ir o s h i ( 2 0 0 0 ) 等 人曾 采 用的c c d 摄 像 机 ( k o d a k e k t a p r o h s m o d e l 4 5 4 0 ) 每 秒 钟可 拍 摄9 0 0 0 幅 图 像 1 5 ; s a r p k a y a ( 2 0 0 0 ) 在 利 用d p i v 技 术 研 究 壁 面 约 束 ( w a l l- b o u n d e d ) 条件下 射流流 场时 所采用的 成像系统的图 像获 取速率为2 5 0 帧每 秒到 1 0 0 0 0 帧每 秒 14 1 ( 2 ) 实 现了 三 维 速 度 测 量 。 基 于 粒子 成 像的h p i v ( h o l o g r a p h ic p f v ) f 16 - 3 1 , s tr e a k p i v 3 4 1 , s p i v ( s t e r e o s c o p i c p i v ) 17 .2 1 1和d p p i v 田 u a l - p la n e p i v ) 2 2 .2 3 1等 方 法 均 可 以 获 取流场的三维速度。 其中 在上述方法中， 体视p i v ( s p i v ) 技术是较早提出 的 流 场三维 速度的测量技术， 并得到了较快发展。 不过， 在s p i v技术的推广应用方面还存在一 些问题。 如在s p i v的流场测量中， 一般都需要在施加测试流场之前对一标准网格进 行成像，以便对测试过程中的 粒子图象进行坐标标定， 这在s p i v测量中是十分重要 的。这对气体流场来说比 较容易实现，但对液体流场或其它复杂流场，有时因考虑 到标准网格的不可浸入性，很难保证在实验测试前后对光学成像系统进行相同条件 下的标定，因而往往会造成很大的误差，甚至会得到截然相反的结果。 ( 3 ) 数据处理算法有了 很大发展。 在粒子图 象处理方面，主要有杨氏 条纹技术、 光学相关技术和直接互相关技术3 5 1 ，其中 p i v i d p i v技术中主要采用的是互 相关技 术。但对基本互相关算法来说，其运算量很大，因而一般只能用来进行原理上的说 明。因此人们提出了互相关算法的改进算法，即在奈奎斯特采样定律约束下的快速 傅立叶变换法。 此外， 为提高数据处理速度和速度场测量精度， y a s u h i k o 等人( 2 0 0 0 ) 提出了迭代p i v技术，并通过研究指出基于该技术的数据处理均方根误差为。 .0 4 个 象元 f3 6 1 。 美国t s f 公 司 最新发展的u l t r a p i v系 统 在 采用双c p u时，数 据处理速度 可高 达每 秒钟4 0 0 0 个 速 度 矢 量 1 5 1 目前， 流场全场诊断方法的发展趋势主要是通过扩展d p i v技术以实现对流场速 度和粒径的同时测量。 e v e r e s t 等人 ( 2 0 0 0 ) , f r i e d m a n等人 ( 2 0 0 0 ) 在这方面已 做 了一些有益尝试，并取得了一些初步结果，但上述工作均基于球形粒子假定，且需 基于 翻 欠 字 撇 立 任 卜 k 比 n 卜 的 细 水 卑全 场 诊 断: v 么中 国月 斗 学 效术 大 学t*-a-学 m论 文2j1 - l 要向流场中施加荧光染料物质。因此，本工作提出了 仅通过激光片光照明粒子场而 获取粒子前向散射信息并通过研制相应的粒子图像分析处理软件以获取喷雾粒子的 大小及其谱分布、通过雾滴运动轨迹的识别和分析确定喷雾场的雾滴速度分布等特 性参数的全场诊断方法。 1 .3本论文的研究目 标 针对对上述喷雾特性进行全场诊断的重要意义以及现有诊断方法的局限性和今 后的发展趋势， 本论文工作的主要研究目 标为: 在研制两维d p i v系统的基础上， 通 过系统扩展和算法软件的研制， 发展一种基于激光片光成像的粒子场全场诊断方法， 使该方法既能获取粒子场中微粒的粒径分布，又能获取其速度分布以 及雾化锥角等 特性参数，从而为相关研究中 对雾场特性的多参数全场测量提供科学、有敛的实验 诊断方法。在此基础上，进而对一细水雾喷头的雾场特性进行了实验测量研究，同 时对粒径和速度等特性参数对细水雾灭火效果的影响 进行模拟实验研究。 1 . 4本论文的主要工作 基于上述研究目 标，本论文开展并完成了以下主要工作: ( 1 ) 在对粒子场测量的相关理论和具体方法进行综述分析的基础上， 提出了 通 过采用激光片光对粒子场进行成像以获取其粒径和速度等参数分布的新思路;( 2 ) 研制t 适宜于低速流动 速度场 测量的d p i v ( d i g i t a l p a rt i c l e i m a g e v e l o c i m e t ry ) 系 统， 并使其实现了对粒子场粒径分布的测量功能;( 3 ) 研制了基于粒子运动轨迹的速度 场重建算法，获取了细水雾雾场的速度分布;( 4 ) 研制了基于几何校正、去噪、图 象分割等图象处理方法的 “ 粒度分析软件系统” ，该系统既可分析给出粒子场的粒径 分布直方图和平均粒径，还可给出 粒子的数目以及最大、最小粒径等信息;( 5 ) 建 立了一细水雾发生系统，并应用上述方法对不同压力条件下细水雾系统的雾场特性 ( 如速度分布、雾滴粒径分布、雾滴的数目、喷雾张角以及雾化长度等)进行了实 验测量研究; ( 6 ) 对细水雾特性参数的p i v s 测量结果与计算机简单模拟计算结果进 行了 定 性比 较分析， 并 利 用 平 均 粒 径为5 0 p m和1 1 5 l m的 玻 璃 球以 及1 2 ji m的 标 准 示踪粒子对 p i v s 系统的粒径和速度测量结果进行了实验验证， 同时对其局限性进行 了分析讨论:( 7 )对不同工况条件下细水雾与油池火相互作用的过程进行了模拟实 验研究。 第 二 二 幸牡 毛 卜 瑞 睑 实 脸 诊 断 方 法 翻 氏 生 毛 第二章粒子场实验诊断方法概述 2 . 1引言 粒子 场的 实 验诊 断 在两 相或多 相 流 研究 n ， 特 别是 喷 雾 燃 烧2 1,2 5 ,2 6 ,3 7 1 、 微 机 械加 工 过 程中 热表面的 雾滴 蒸发冷却3 8 ,3 9 ,4 0 、 细 水 雾灭 火及其喷雾 系统的 性能 设计 ， 1 ,4 2 以 及爆炸气溶 胶微粒的 谱分布测量4 3 等 研究 领域具有十分重要的意义。 正因为粒径 测量在科学研究和相关应用领域的重要性， 国际上自1 9 8 7 年在法国召开了第一届粒 径测量方面的国际会议以来， 每 3 年要召开一次这方面的会议， 其主题就是讨论“ 粒 径测量方面的 光学方法” 4 4 粒子场的实验测量通常要获取流场中粒子的大小、空 间分布、单位体积内 粒子的个数 ( 即数密度) 和粒子的 速度等参数并给出粒子尺度 分布直方图和空间分布直方图。对喷雾场还需要测量雾场范围、雾化锥角等。在某 些特定的研究中，往往还需要测量粒子的形状。下面将在介绍粒子场测量中的基本 概念和相关理论的基础上，具体介绍几种粒子场实验测量的主要方法。 2 . 2粒径测量中的基本概念和相关描述 2 .2 . 1粒子直径和形状的描述 在基于激光技术的 粒子谱分析( p a r t i c l e - s i z e a n a l y s i s ) 方法中， 经常会 遇到 一些相 关的物理概念及其描述的专门术语，如关于粒子形状的描述、单个粒子直径的定义、 平均粒子直径的定义和描述等。因此在应用粒子谱分析方法对粒子场进行测量时， 有必要正确理解和掌握上述概念及其相关的描述。 粒子的直径和形状通常是粒子场测量方法所首先要考虑的问题，因为对于具有 不同粒径或不同形状的粒子来说，其相应的测量方法或数据分析处理方法往往是不 同的。粒子形状的不同会使得对粒子直径的描述不同，特别是导致其光散射特性发 生很大变化。因此，不同的粒径定义往往又是针对于不同的粒子谱分析方法的。如 投影面积直径( p r o j e c t e d a r e a d i a m e t e r ) . m a rt i n直径 和f e r e t 直径的 定 义是 针对显 微镜 分析方法的，而所有的基于激光技术的粒子谱分析方法通常测量的是粒子的等效球 形 直径( e q u i v a l e n t s p h e r i c a l d i a m e t e r ) ， 如d l () , d 2 o , 4 3 0 1 4 3 2 和d 4 。 等， 且不同 的 等效 球形直径又对应于不同的测试对象 ( 如 d 3 : 被用于描述与燃烧有关的流场、 山 : 被用 于与化学反应有关的粒子场测量、 而d 3 。 比较通用， 因为基于光衍射散射的粒径分析 刃 “ 阵 三 文 字 牡 子 成 像 的 细习 象全 月 肠 全 十 析方 法 中 国牙 牛 理 卜 效 术大 _*p 阵 吐 ， 学 位论 文 日 二 客 世 方法一般都能获取这一直径4 5 1 。 表 2 .2 . 1给出了 描述粒子形状的一些专门术语，表 2 . 2 .2 给出了 单个粒子直径的定义，表2 .2 . 3 给出了 平均粒子直径的描述。 表2 . 2 . 1粒子形状描述的专门术语 粒子形状 针尖状 尖角状 晶体状 枝状晶休 纤维状 层状 晶粒状 无规则状 标准形 英文名称 ac i c u l a r a n g u l a r c r y s t a l l i n e de n t r i t i c f i b r o u s f l a k e - l i k e gr a n u l a r i r r e g u l a r mo d u l a r 英文描述 n e e d l e - s h a p e d s h a rp - e d g e d fr e e ly d e v e lo p e d g e o m e t r ic s h a p e a b r a n c h e d c ry s ta l l i n e s h a p e t h r e a d - l i k e p l a t e - l i k e e q u i d im e n s i o n a l i r r e g u la r s h a p e l a c k i n g a n y s y m m e t ry ro u n d e d , ir r e g u l a r s h a p e 表2 . 2 . 2粒子直径的定义 丝 旦 d d 名称 拖拉直径 英文名称 d r a g d i a m e t e r 义 d s :斯托克斯直径s t o k e s d i a me t e r 投影面积 范瑞特斯直径 马丁直径 筛孔直径 p r o j e c t e d a r e a f e r e t s d i a me t e r ma rt i n s d i a me t e r s i e v e d i a me t e r 粘性拖动 ( 等同于粒子 在具有相同速度的流体中) 时的球形粒子的直径 与自由 下落粒子具有相同的下落速度和密度的球形 粒子的直径 与一粒子的投影具有相同面积的圆的直径 粒子 投影图的一对平行切线之间 距离的平均值 粒子投影图的平均弦长 能够让粒子通过的最小方框的宽度 da涛而ds 表2 . 2 .3平均粒径的定义和描述 迷 d ,。 一 户 、 州 介 d n 一 户 d,2dn l f - . dn ju2 一 介 刃 dn / 穿 dn ,t/30% d ,dn i e : dn i d 21 一 穿 d ,2d 州 户 d ;d n d, 一 ! . d dn i t - d dn j 112 索 太 尔 平 均 “ 径d 32 一 公 一 d ,dn l 户 d ,2d n d 43 一 介 d ,0dn 户 d ,3d n 粒子谱分布的归一化平均直径 具有与分布粒子相同的平均表面 积的球形粒子的直径 具有与分布粒子相同的平均体积 的球形粒子的直径 与分布粒子的平均尺度粒子的表 面积相同的球形粒子 的直径 与分布粒子的平均尺度粒子的体 积相同的球形粒子的 直径 具有等效于分布粒子体积与表面 积之比的 球形粒子的直径 具有与分布粒子的平均重量相同 的球形粒子的直径 dl峨碗姚姚