（水力学及河流动力学专业论文）掺气水流气泡特征及图像处理方法研究.pdf

v 6 5 4 2 2 3 掺气水流气泡特征及图像处理方法研究 水力学及河流动力学专业 硕士研究生：刚立指导老师：许唯临教授 国民经济的高速发展要求兴建一大批大型的水电工程来满足能源需要， 而大型水电工程中掺气水流是一普遍存在并且需要深入研究的问题。 本文借助针式掺气浓度流速仪对陡槽中的掺气水流进行了测量，研究了 掺气水流的流速、掺气浓度及气泡的分布规律。研究结果表明： 掺气水流沿程发展过程中有一个高度的掺气浓度始终保持不变，大致位 于掺气浓度c = 4 0 处；在部分发展区的断面强迫掺气与自掺气的流速分布比 较接近，而随着掺气过程的发展，三者间的差别开始拉大而呈现出强迫掺气 比自掺气情形流速高，强迫掺气中掺气挑坎情形较掺气槽情形流速为高：经 过无量纲化后流速的分布显示出很高的相似性。 对于同一断面，靠近槽底的测点气泡个数分布最大值出现在气泡尺寸小 于l m m 的范围内，朝水面方向各测点气泡个数分布最大值呈减小趋势，而 其对应尺寸则呈现变大趋势；在靠近槽底，个数分布表现得比较集中，而在 水面附近气泡个数分布曲线表现得低而平缓；实验条件下，整个断面上的气 泡个数分布的最大值大体上出现在尺寸为o 5 m m 的地方；气泡平均尺寸在槽 底处接近于0 而朝水面方向迅速增大，且越接近掺气水流的水面，增加速度 越快，最终趋于无穷大；气泡总数在掺气发展区内是沿程增加的，当掺气水 流发展到一定程度后气泡总数就基本保持不变了；在同一断面上，各测点单 位时间内的气泡总数随高度呈现出先增加后减小的趋势。 同时，对图像处理技术在气泡特征研究中的应用做了探讨。在o s t u 最大 类间方差法的基础上提出了改进方法，开发了人机交互的局部分割与拼合系 统及多文件的处理系统。在对图像的处理中引入了前处理与后处理过程及信 息统计技术，取得了含气浓度及每个气泡的直径，形状、体积的完整信息； 配合气泡的速度求出了通气量。 关键词：掺气气泡图像处理 r e s e a r c ho nc h a r a c t e r i s t i c so fb u b b l e si na e r a t e d o p e n c h a n n e l - f l o w & i m a g ea n a l y s i sm e t h o d m a j o r ：h y d r a u l i c s a n dr i v e r d y n a m i c s p o s t g r a d u a t e ：g a n g l i s u p e r v i s o r ：x uw e i l i n a l a r g en u m b e ro fh u g eh y d r o e l e c t r i cp r o j e c t sh a v et ob eb u i l tt op r o d u c e e n e r g y t om e e tt h ed e m a n do ft h eh i g hs p e e dd e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m v a n da e r a t i o np r o b l e ml a r g e l ye x i s t si nt h o s e h u g eh y d r a u l i cp r o j e c t sa n dd e m a n d a t h o r o u 【g hs o l u t i o n i nt h i sp a p e r , t h ea u t h o ru s e dan e w t y p eo fa i rc o n c e n t r a t i o na n dv i s c o s i t y p r o b ei n s t n m m n t ，a n dm e a s u r e dt h ev e l o c i t y , a i rc o n c e n t r a t i o na n db u b b l es i z e d i s t r i b u t i o n ，a n do b t a i n e ds o m ei m p o r t a n tc o n e l u s i o n sa sb e l o w ： d u r i n gt h ed e v e l o p m e n to f a e r a t i o na l o n gt h ef 1 0 wd i r e c t i o n ，t h e r ee x i s ta h e i g h ta tw h i c h m ea i rc o n c e n t r a t i o ni sac o n s t a n t w h i c he q u a l s4 0 ：i np a r t i a l a e r a t e df l o wa r e av e l o c i t yd i s t r i b u t i o na r es i m i l a ro nt h ef i r s ts e c t i o na n dt h e d i 腩r e n c eb e t w e e na e r a t o ra n ds e l f - a e r a t i o ni si n c r e a s ea st h ef l o w g o d o w n s t r e a m ，a n da e r a t o rm a k e sv e l o c i t yb i g g e rt h a ns e l f - a e r a t e df l o w ；a f t e r n o n d i m e n s i o n p r o c e s s ，t h ev e l o e i t yd i s t r i b u t i o ns h o w sh i g hs i m i l a r i t y a st h es a l t l es e c t i o ni sc o n c e r n e d ，n e a rt h eb o t t o mt h em a x i m u mv a l u eo f f r e q u e n c ya p p e a rw i t h i nl m m o fb u b b l es i z e ，t o w a r d st h ew a t e rf a c et h i sv a l u e t e n dt od e c r e a s e ，y e tt h ec o r r e s p o n d i n gs i z et u r n st oi n c r e a s e ；i nt h es a m et i m e ， t h ef r e q u e n c yi sc o n c e n t r a t e dn e a rt h eb o t t o ma n dd e c o n c e n t r a t e dn e a rt h ew a t e r f a c e ；t i n d e rt h ee x p e r i m e n tc o n d i t i o n ，t h em a x i m u mf r e q u e n c yo ft h et o t a ls e c t i o n a p p r o x i m a t e l ya p p e a ra t0 5 m ms i z e ；m e a nb u b b l es i z ea c c e s s0a tb o r o ma n d i n c r e a s ea c c e l e r a t i v e l yt o w a r d sw a t e rf a c ew h e r et e n dt ob ei n f i n i t e ；t o t a ln u m b e r i n c r e a s ed u r i n gd e v e l o p i n go fa e r a t i o n ，a n db e c o m es t e a d yw h e nr e a c hw h o l l y d e v e l o p e da r e a ；o nt h e s a m es e c t i o n ，t h et o t a ln u m b e ri nu n i tt i m e t e n dt o i n c r e a s ea tf i r s ta n dd e c r e a s e t h e n a l o n g t h ew a t e r d e l c ) t h a tt h es a m e t i m e ，t h i sp a p e rs t u d i e dt h ea p p l i c a t i o no fi m a g ea n a l y s i sm e t h o d i nt h ea n a l y s i so fb u b b l ec h a r a c t e r i s t i c s i m p r o v e dt h e0 s t u sm e t h o d d e v e l o p e d am a i l m a c h i r es y s t e mt op a r t i a ls e p a r a t ea n dm a k e w h o l e ，a n dam a s s - d o c u m e n t d e a l i n gs y s t e m 。i n t r o d u c e dt h eb e f o r e t r e a t m e n ta n da f t e r - t r e a t m e n ts y s t e mt o r e f i n et h es e p a r a t i o no fi m a g ea n do b t a i nt h er e l e v a n ts t a t i s t i cv a l u e ，g a i n e dt h e w h o l ei n f o r m a t i o no fa i rc o n c e n t r a t i o na n ds i z e ，s h a p ea n dv o l u m eo fe v e r y b u b b l e s ；c o l l a b o r a t e dw i t h t h ev e l o c i t yo f b u b b l e s g e t a i r i n t a k e k e yw o r d s ：a e r a t i o n ，b u b b l e ，i m a g ea n a l y s i sm e t h o d 四川大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 掺气水流研究的意义 1 1 1 水电的开发与工程需要 我国有得天独厚的水能资源，其理论蕴藏量为6 7 6 亿k w ，技术可开发 量为3 7 8 亿k w ，见表1 1 ，而己开发的所占比例不高，远没有达到发达国家 开发的水平。而我国的经济建设的持续高速发展对能源的需求不断增加，同 时我国所倡导并努力实践的“可持续发展”战略为我国的能源开发提出了新 的要求；此外，我国水利 资源自然位置上呈现很 大的不均匀性，大部分聚 集在经济相对落后的西 南，而经济较发达，能源 消耗大的东南沿海城市 却分布很少，国家和科技 力量为解决这一突出矛 盾所做的努力最后集中 到一点，那就是加大西部 地区的能源开发并将其 输入到东部地区，在带动 西部发展的同时服务东 部经济的需要。所有这些 都将水电的开发提到了 首要的位置【3 8 】_ 【5 。 表1 1 西部地区水螗资源分布及开发状况 注：已开发规模及已开发程度为截至2 0 0 0 年底的统计资料。 随着国民经济的快 速发展，兴建水电，特别是大型水电，成为了必然【5 2 】。【5 5 l 。表1 - 2 及表1 - 3 ! ! 型查兰丝! i ：兰些兰兰 袅i 一2 我国巳建厦在建裴机在1 0 0 ik x , v 以上的大型水电站 ! !竺兰竺竺 一一竺点 河碓 鞋扼台戢芝；鬻( ：芝赘鲁曩) 开持投 年建成年 = 期扩建 21 7 00 5 l1 9 9 i 1 9 蛇 三期扩建 22 8 00 2 41 9 9 71 9 9 8 2 荆窜壤甘抖r 木靖 黄河51 1 6 05 5 b1 9 6 81 9 7 4 3白山胄棘件向 弗= 栓花江39 0 02 0 01 9 5 3 1 9 8 4 = 捌 26 0 0o 3 41 9 9 11 9 9 2 4葛制规 湖北宜直性让 2 12 7 1 51 5 71 9 8 1 1 9 8 8 5尤羊幢霄悔按和量镥 黄河41 2 85 84 1 9 8 71 9 8 9 6雕河岩掰北靛甫 清扛41 2 03 0 ，4 1 9 9 31 9 9 4 7 广州抽球蕾能广东占l 化溉攥阿41 2 0 2 3 81 9 9 21 9 二辛l4 1 2 01 9 9 8 8 珊傩广酉西马席i 安虹水河4 1 2 15 6 61 9 9 2 z 9 9 5 9 馒ni 南i a ，量m* * 口 51 2 58 301 9 9 3 1 9 ” 1 0 x a 氍潮 z t4 51 2 05 3 71 9 9 41 9 9 6 木口 橱建冉清圃讧71 4 0 4 9 51 9 9 31 9 差生并= 壤 ：崩 率童峡 = 呆生桥一垭 夭荒坪 万束搴 ；雾i 搓 甫t “ * 尖 l 他* 月 四川杖让堆奇江 妄雾萎萎 谢盘旺 蕞扛安古戈攫 内警罂蓉豢檀 黄河 1 _小慷蔗 阿膏置津冀坷81 5 1 0( 1 9 9 9 ) 1 9 互峡翻j 匕宣苴长虹2 61 8 2 0 8 4 0 ( 2 0 0 3 】 2 上塑业l 重塑量曼茎塞塑苎坚! 琶翌：! ! ! 鲤12 表l - 3 我国巳建及在建规高超过1 2 0 m 的大坝 1二滩 四川桂花雅砻江2 4 0 聂面五函i 一。1 萄f 一 2 * 艟一 ；雾窭蔓 宿女1 7 8 4 i 1 9 9 9 3 把羊峡青海共和责德 篮河1 7 8 皿力拱埂1 9 8 9 41 * 湖# 宜目长缸 1 7 5 重力埙 5京风 盘州叶西请谯乌江1 6 8 飘曲拱班1 9 9 5 6 乌江童量州遵义 鸟比1 6 5 拱形置力墁i 9 站 7丰采峡 青海虫札他盛黄河 1 6 5 取曲拱坝1 9 9 6 8 束江期南蛊兴 米水 1 5 7 双曲搬埙1 9 9 小浪底河南盂津 黄河 1 5 4 斟墙墙石坝 1 0隔柯岩 湖北长阳 拊江1 5 i 重力拱蜘1 9 9 3 l l 白山 古# 棒细第二植花吐 1 4 9 5 重力辨墁l 粥6 1 2 刘象魄甘麻木靖 翦河1 4 v 麓力域1 9 7 0 1 3 乌e l新_ 自 喀拉喀什_ 阿i 3 8 扳堆再填 1 4 宝玮寿四广元 白盘江1 3 2 焉压倔凝土重力明l 螂 1 5 覆湾 i 南i n 量东橱* 1 3 2 t 9 3 9 1 1 9 9 3 1 6 抄四嫂川 年壤柯1 3 2飘压强麓土t 力扶壤 1 7 珊* 蜥支戚1 i a 1 3 0 8 目* 堆5 摄 1 r 盆水库陕日安 氰目1 3 0 牯o _ 碌i m 1 9 湖南镇* 橱 鸟1 2 9 支墩坝1 9 7 9 2 0 安康臃西安壤 改水 2 8 重力攫1 9 9 2 2 1 讧垭 湖南慧利灌木 1 2 8 疆压混鞋重力埂1 9 9 9 2 2 白氍浙 1 2 4 3 面缸堆5 埙 2 3 _ _ 莓t 青海太通 宝库河1 2 3 5 面板堆石坝 “ 芹山 福建埘宁穆朋填 1 2 2 面板堆石坝 篓肇苎 啊南洛宁济坷 1 2 l 重力规1 9 9 2 竺宴妻 嘲南轼步 船求1 2 0 研扳堆石搬1 9 9 8 二z _ j 型曼旦j 型丝丝l 点盎塑一 ! 垫 要堡苎互苎! 罂 2 一 一 蚍 蜥詈l 咻娜嘴最蠹薹 ：m m m m 2 3 4 s 6 7 四川太学硕士学位论文 分别列举了我国在建及己建坝高超1 0 0 m 水电工程及发电容量超1 0 0 万千瓦 的工程数量。一批高坝、大容量水电项目的兴起，使得x c - r 程技术有了新的需 表1 4 弧形闸f - j 夷扩跌坎式通气减蚀工程 主警篓鬻设帮擎气。 轳建筑亲孔瑟寸萋气蛾嚣 t 行或推广情况 繇盈匿名m )( m 3 ，昌)( m )名称 ( m )设 抽 年伢 1 克拉斯诺1 0 0 1 6 57 0埂身8 十5 5奔扩05 m1 9 6 7 年投入运行，水1 9 6 4 拍斯克世承孔 跌坎7o m头o 6 0 m 。4 、5 、8 ( 前苏联)孔跌竣下后两侧壁发 生空蚀蕺坏 2 努列克 i i 0第三层5 6突扩0 5 m已经受4 0 4 5 m s 流1 9 7 2 ( 前苏联)导亩i c 硅删肤坎06 m遗考验 薯托克拉吉 1 1 2 5埋内5 6信心惶弧门后来又应用在萨掳好已遣秆 尔衙克 世水孔中斯克 前苏联) 德祆歌竟2 1 9 i l3 08 1 坝身3 十z - 7 5 38 蹇扩0 4 8 m世水1 日后，3 十孔均 1 9 7 2 ( 美国)世水孔 跬坎0 ，i j m发生空蚀 5 堵皿拉 1 3 7 ( 巴基崩坦)。1 礁洪洞“8 8 。7 一趺兜扩掣co 。3 3 8 5 m m妻磊球头2 叭6 7 2 坎下1 6 8 m 闸门开18 3 4 m 托的平底发生空蚀 4 0 0 g 9 探孔 5 x3 3 6奥扩01 9 m 4 0 7 0 年代在太野 1 9 5 9 眭坎0 2 5 m汾田遣，投厦内川等工 r 大谴 6 05 5 - 6襄扩o 2 m 胜坎0 i7 m 8 替尔耶斯 瑞冉1 o 结雅 ( 舸苏联1 l o 东伍 ( 中国) 泄水孔z 5 3 o 赛扩10 m 敢坎o 4 m 8 1 8 3泄水孔5 5宪扩1 5 n 趺坎6 5 m 1 0 0 二缎救窀日6 4 7 5 蹇扩o 4 m 口篇3 5 m 趺斌o ，8 m 程扩0 6 m 聩坎2 1 ) m 底垃1 5 突扩o 4 m 跌坎1 o m 门后设通气井 导流时丰破坏 两镌加折漉器趺坎上 加小挑轶高o z m 1 9 8 9 年兰庆过水后发 生空蚀破坏 跌班上加小挑坎，高 o 1 m ，1 l5 斟坡 巴运杼 e 遥行 在建 运行 在建 求，其中很关键的一点就是如何解决高速水流所引起的问题，而掺气问题在 其中占据很重要的地位【5 6 】【5 7 1 。 对掺气水流已进行了多年的研究，并在工程中广泛应用，见表1 - 4 。但在 这一领域仍然存在很多问题没有解决。如刘家峡和鲁布革泄洪隧洞未设掺气 槽，龙抬头泄洪洞在运行中遭到空蚀，而二滩泄洪隧洞设置了多道掺气槽， 但也产生了破坏眇】，这就要求对类似的问题做更深入的研究。同时在这一领 域中作出的成绩也必然会对工程建设起到重大的作用。 州 帆 淼 阽 兰m 耋!博 糌稀 = ： 此 四川大学硕士学位论文 1 1 2 工程中的水流掺气 在高水头泄水建筑物中，当水流通过溢流坝、明流泄洪隧洞等泄水建筑 物时，流速达到一定程度，大量空气自水面掺入水流中，以气泡形式随流带 走，或当流场边界中有凸体、突变使其后形成相对的负压而使空气从可能的 通道汇入流场形成水气两相流。 由于掺气过程的不同，掺气水流可分为自掺气和强迫掺气两种。当水流 通过溢流坝、齿槽、明流隧洞，且流速大到一定程度时，大量空气自水面掺 图卜1明渠中掺气水流的纵剖结构 4 四川大学硕士学位论文 入水流中，以气泡形式随水流带走，这种掺气过程称为自掺气。当高速水流 受到某种干扰，如固体边界有突然变化( 如闸门槽、通气槽等) 或水流表面 有突变( 如水跃等) ，或两水流相碰击( 如水舌自由跌落，墩后的两水流相 会合等) ，均将从水面卷入大量空气，这种掺气称为强迫掺气【9 0 】刚。 1 自掺气水流 如图1 1 所示，当水流自水库进 入陡槽后，水面下降，水流由缓流变 为急流。自o 起边界层开始发展， 到a 处边界层发展到水面，整个水 流变为紊流，此时水流并未掺气，自 a 以下，流速急剧增加，水流紊动强 度也迅速增大，到达b 处出现水滴自 水面跃起，水流才开始掺气。这是因 为紊流中存在许许多多涡体，涡体是 共同旋转的水质点群，涡体绕流将产 气泡形成区 絮蠹燮面水滴形成区射耀聪蒜气艰界圆 向上涡体 上 ( b ) 气；色形成 ( a ) 气水界面 图卜2气泡、水滴形成过程 生升力，水面附近的涡体就有跃离水面的趋势。当涡体所具有的竖向瞬时动 能足够大时，就能克服水流表面张力和自身重力，以水滴形式跃出水面，上 升至一定高度后，水滴在重力作用下，重新落入水中，带入了空气，形成气 泡。水滴落入水中形成气泡，见图1 2 。这一事实已由伏卡特( p u v o l k a r t ) p j 用闪频摄影技术拍摄的照片所证实。自掺气发生点b 再向下游经过一段距 离后，由于流速迅速的增加，水流素动强度也随着增大，就出现不但有许多 涡体以水滴形式跃出水面，并有一串串涡体连续跃出水面，形成水柱，也有 一群群涡体跃起，形成水面波的现象。水柱及水面波沿水流方向的流速t b 交 界面以下水流主流的流速为小，所以水流在运动过程，水柱及水面波必然向 后倒落，卷进了空气。气泡进入水中后，由于浮力作用有逸出水面的趋势， 而水流的紊动扩散又趋于将气泡从高浓度区输移至低浓度区。在则刚开始掺 气时，水流紊动力强度不大，气泡不能深入到底部，水流只是部分掺气，这 一区段叫掺气发展区。再经过一段距离后，随着水流紊动强度增大，掺气逐 渐增加。最后，水流达到充分紊动，气泡的浮力作用与水流紊动扩散作用趋 四川大学硬士学位论文 于平衡，从水面掺入的空气量和从水中逸出的空气量相等，掺气再沿程变化， 掺气水流呈稳定状态，形成掺气均匀流，这一区段称为掺气充分发展区。 自掺气水流可分为三个区，上部为水点跃移区，中部为气泡悬移区，底 部为清水区。高度掺气时，清水区就不存在。 2 强迫掺气 强迫掺气的特点是仅在局部范围内掺气，经过一段距离后，气泡很快逸 出水面。例如水跃、底部掺气坎下游的水流、两股水流汇合处等均为强迫掺 气。 强迫掺气在工程中的最显著的应用是掺气减蚀。即在过流面上设置掺气 槽，掺气挑坎，或突跌错台等。水流经过这些突变处，即脱离边壁，形成射 流，射流水股下面出现了空腔，通过两侧预留的突扩或预埋的通气管，将空 气导入空腔。射流水股下缘在行进过程中，将扩散掺气形成掺气层，当它重 新回落底板或扩散至侧壁时，又卷入部分空气，致使下游近壁水层成为掺气 水流，在沿程一段距离内可保持其掺气浓度不小于菜一防蚀有效的最低浓度 值，这样这段距离内的过流面不致遭受空蚀破坏。 掺气减蚀在工程中的应用见表1 4 。传统的研究认为掺气减蚀的效果由掺 气浓度来决定，但近来的一些学者开始关注掺气水流中的气泡构成。 3 掺气浓度的定义 通常采用掺气水流中某点处一定体积中的空气含量或水的含量与该体积 中水气混合体体积的比值，作为表征该点水流掺气程度的指标。前者称为掺 气浓度，后者称为含水浓度。掺气水流中某点的掺气浓度c 。就是微小体积中 的空气体积d 圪与水气混合体的体积d p 0 的e b 值 c 。= 薏 ( 1 - t ) 三维掺气水流的断面平均掺气浓度瓦可用下式表示 己2 尝 ( 1 - 2 ) 式中q 为水气混合流中气体流量，绒为水气混合流中水的流量，q 。为水 四川大学硕士学位论文 气混合流的流量 综上所述： ( 1 ) 国民经济的快速发展产生巨大的能源需求，同时在可持续发展的战略 下满足这种需求的首选是水电，特别是大型水电； ( 2 ) 大型水电的开发也是进行能源和社会经济发展的区域调节的有效手 段； ( 3 ) 在这种形势下一大批大型水电项目在建及筹建； ( 4 ) 大型水电工程中通常都出现掺气水流及其所带来的问题，这要求对掺 气问题做进一步的研究； ( 5 ) 工程中的掺气现象可分为两种，一种是自掺气另外一种为强迫掺气， 对掺气减蚀的研究有着显著的工程意义；对掺气水流中的气泡构成的 研究是掺气减蚀研究的新方向。 1 2 掺气水流研究的现状 1 掺气现象的描述与掺气规律的研究 对明渠水气二相流最早进行室内试验的是奥地利的依伦伯格 ( r e h r e n b r g e r1 9 2 6 ) 嘲，最早进行野外观测的是美国的霍尔( l s h a l l1 9 4 2 ) f j ， 以后法国、意大利、美国、苏联、印度等国的学者通过室内试验和野外观测。 中外的研究者对明渠水气二相流的掺气发生条件【5 8 】【5 9 1 、掺气水流水深【删、掺 气压力的影响、掺气设施的体型【6 2 】【6 5 1 、挟气量【删、掺气浓度分布【6 7 】【6 8 1 等 进行了大量研究6 9 h 7 ”。在2 0 世纪5 0 年代，l g s t r a u b 和a g a n d e r s o n l 8 1 进行 了大量的自掺气水流掺气浓度分布实验，其实验资料长期被其他学者广泛引 用。自那时以来，新的研究成果不断涌现。我国从2 0 世纪5 0 年代后期开始这 方谳的研究，并进行了野外观测，取得了不少成果。 2 对掺气减蚀的研究 高水头泄水建筑物的空化空蚀是高坝建设中急待解决的问题。实践证明， 掺气减蚀是解决空蚀破坏的有效途径。p e t e r k a 8 0 】【8 1 1 等的实验表明，当水中掺 气浓度达到1 2 时，能大大减轻固壁面的空蚀破坏；当掺气浓度达5 7 时， 7 四川i 大学硕士学位论文 空蚀破坏完全消失。自6 0 年代以来，不少国家已开始将掺气减蚀应用于工程 实践中，我国自1 9 7 6 年首次将掺气减蚀技术应用于冯家山水库泄洪洞以来， 至今掺气减蚀设施已有二十多个。研究从员对掺气减蚀的设施进行了研究 7 4 1 。【79 1 。从趋势上看，对水气两相流的研究正在经历从宏观和概括的总量的 描述走向微观的细致描述，在对掺气的认识上由掺气断面平均量到一断面上 沿水深方向掺气浓度的分布，而今后这一领域将继续发展到对掺气浓度气泡 尺寸概率分布的研究。在国内，淮河水利委员会水利科学研究院的陈先朴等 人研制成功了针式掺气浓度流速仪 9 1 并对小浪底原型及模型进行了实验，在 对掺气水流中气泡尺寸的分布方面的研究获得了进展【1 0 1 1 7 2 【7 3 】。他们的研究改 变了掺气浓度决定减蚀效果的传统观念而提出与掺气保护作用关系最密切 的是单位体积流体内的气泡数量，而不只是掺气浓度【1 0 1 1 1 1 】因此，需研究高 速掺气水流中的气泡数量、气泡级配和气泡分布研究认为：0 2 m m 或0 5 m m 以下的微小气泡在掺气减蚀中起着主要作用，可能只要很小掺气浓度即可达 到掺气减蚀的效果。因此以小尺寸气泡的掺气浓度，作为判断掺气减蚀保护 作用的指标将更为明确【1 1 1 。因而对气泡尺寸的研究就显得更有工程应用价 值。 3 对液体中气泡运动的研究 有学者对液体中单个或多个气泡的运动特性进行了研究。研究了波浪中 泡沫的特点及其与气候的关系碍2 1 ，对气泡上升规律的研究【嘲，气泡减阻 8 3 。1 8 6 1 ，对气泡形成规律的研究8 7 1 。 所有这些表明对掺气水流的研究走向是对掺气水流中的气泡特征及行为 的研究。本文是朝着这一方向做出的有意义的探索与尝试。 1 3 掺气水流实验测量技术的发展 在对掺气水流的研究过程中也伴随着量测仪器的探索与不断改进。由传 统的测压管，毕托管到电量式测量仪器，由单项测量仪器到多项组合的测量 仪器，由模拟信号到数字信号再到与计算机结合后的测量、数据处理的联合 作业及实时作业与流场显示。掺气专题研究来说，旌测手段就是研究工作本 四i i 大学硕士学位论文 身不可缺少的一部分。 对掺气水流的观测量最基本的是对掺气浓度、流速的测量。 1 3 1 掺气浓度的测量“”。7 1 1 水面线法 测定水流掺气后的平均水面高程( 边墙水面线) ，并与清水水深相比，换 焉t 图1 - 3 取样设备工作原理图 算成断面平均掺气浓度丁。过去原型观测多用此法。由于掺气水面强烈地随 机波动，很难用目测准确判定其平均位置，而且边墙水尺读数也包含了边墙 壅高的影响，故这种方法比较粗放。 2 测压管法 在边墙装设测压管测取沿水深的压力分布，并与不掺气水流的静水压力 分布相比照，从而求得沿水深的浓度分布。 3 同位素法 五十年代及六十年代初期，许多人应用同位素( ，射线) 来量测两相流的 浓度。其能量衰规律如下式 e=岛一肼(1-3) 式中止0 y 射线具有的强度； 占衰减后的强度； 9 四川大学硬士学位论文 o ，p ，分别为所穿过 的介质层的厚度、密度和 吸收系数。 根据所测密度p 而换 算得介质层的平均掺气浓 度。上式表明：能量衰减 与速度无关，是此法的优 点。但是，它只能被用来 测取沿射线的平均掺气浓 度，而且放射性污染的防 护，限制了它的广泛应用。 4 取样法( 图1 3 ) 在含砂水流等两相流 领域，广泛使用取样法测 图卜4电测法施测示意 取水流中悬移质的浓度而在气水两相流中，最早采用取样法测取水流掺气 浓度的应推d e l a p p 。取样法虽然设备繁笨，但它是最基本的方法，可作为标 定其它浓度仪的手段， 具有其独特的意义。 5 电测法( 图1 5 ) 利用水和空气两种 具有不同导电性能的介 质来实现的。水是导电 介质，而空气是非导电 的介质。当水流中掺了 图卜5电测法测量原理 气泡，即水流变为掺气水流，测量控头的两电极间的电阻，就随水流中掺的 气泡多少而变化，水流中掺的气泡多，电阻就大，即掺气浓度大，或称高浓 度掺气，反之掺气浓度小【2 7 1 理论设计的电阻式掺气测量仪，其公式为 c ：黑1 0 0 ( 1 4 ) r + r o 2 1 0 四川大学硕士学位论文 其中，凰为电极间未掺气纯水的电阻，r 为电极间掺气水流的电阻，c 为掺气 浓度值( ) 。 电测法的主要优点是设备简单、施测迅速、并可反映瞬时浓度脉动。 电测和取样是目前普遍应用的量测水流掺气浓度的手段，它们的共同缺 点是需将测器置入流场，因而扰动了原状水流，甚至导致气水分离，使量测 结果失真；在高速水流中要固定测器往往亦是难题，从发展角度看，应着眼 去研究无接触量测技术。 1 3 2 流速的测量 1 毕托管 由流体总压与静压之差来求流速“4 。2 9 曲5o 牺是最常用也是最简单 的方法，同时也在此原理基础上改进为特种用途的流速仪【1 2 1 。 2 热线热膜风速计( 简称h w f a ) 1 3 1 _ 【1 6 1 h w f a 的基础是一根无限长的圆柱体在无限大的流场中的热对流理论， 1 9 1 4 年k i n g 推导了这一圆柱体的热对流方程，并且给出了方程的解，导出 了热对流耗散和流动速度之间的关系，即著名的k i n g 公式： h = ( 4 + b 万) ( b 一瓦) 其中：h 代表对流热耗散：a 、b 为常数：u 为流动速度；t s 为热线或 圈卜6p i v 原理及基本配置 l l 四川大学碛士学位论文 热膜的工作温度y o 为环境温度。 3 基于多普勒原理 的流速计【1 3 】 有激光多普勒流 速计( l d v ) ，相位多 普勒粒子分析仪 f p d p a ) ，声学多普勒 水流仪( a d v ) ，都是 利用测得的信号频 率来测量速度。对于 声学多普勒流速计 图1 - 7互相关分析 ( 简称a d v ) ，它利用声学多普勒效应的物理原理如果声源相对于接收器是 移动的，那么接收器声音频宰相对于发射频率会发生漂移，其值f d ( 称漂移 频) 为 t ， 尼= 一砖( 三) ( i - 5 ) o 其中f 为发射频率；v 为声源相对于接收器的速度：c 为声音速度， 以及在此基础上所做的改进1 1 8 】。 4 粒子成像速度场仪p i v 及d p i v t 9 】【2 0 】【2 l 】 在新发展的测量技术还有p 1 v 粒子成像等技术。图像测速技术应用于流 图i - 8 o pi v 数据采集及处理系统 1 2 四j i i 大学硕士学位论文 体速度测量，不仅能够直观地反映流动现象，还能够定量地揭示流动规律； 能够进行多点同时量测，迅速得到二维或三维速度场分布：图像测速方法是 非接触式测量，不干扰流场，其系统组成与处理过程如图1 - 6 ，1 - 8 所示。近 年来，随着电子技术、信号分析理论和图像处理技术的发展，粒子成像测速 技术得到了广泛应用”。图像信息处理和分析既有二维的，也有三维的方 法。在二维的方法中，有p t v ( 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 i v ( p a r t i c l e i m a g ev e l o e i m e t r y ) 和l s v ( l a s e rs p e c k l ev e l o c i m e t r y ) 及许多改进的方法 2 3 1 1 2 4 】瞄1 。 数字粒子图像测速d p i v ( d i g i t a lp r y ) 最大优点是可同时获得速度的大小 和方向，处理速度快，可实现现场处理和实时处理。而应用光学p i v 方法则 需要一套光学诊问系统，加上图像漂移技术，整个实验系统相对较为复杂。 数字化方法的处理对象是一系列随时问变化的数字化图像，对于这些序列图 像的处理方法主要有傅立叶变换法和互相关方法( 见图1 7 ) 。 此原理就是对相同位置不同时间的两幅图以位移量为自变量进行相关分 f ( k ，1 ) g ( k + m ，z + ”) 析：巾( m ，甩) = 了亍譬坚兰亍亍一 ( 1 - 6 ) 、f f 2 ( 尼，z ) 9 2 ( + m ，f + 疗) y t qi = - - t = - ，；“ 互相关系数取得最大值时对应的位移量，即为在两幅图拍摄时间间隔内流场 中物体所发生的位移，加入时间量后即可求得流场的二维或三维的流速分 布。在求互相关系数的之前需用傅立叶逆变换等技术建立互相关函数。 5 几种测速方法在掺气水流中的应用 ( 1 ) 对于毕托管需与传感器结合起来以达到动态的响应： ( 2 ) 对于热丝热膜风速计，很明显在掺气水流中掺气量的变化会改变a 、 b 的值而无法使其为一常数，因而在掺气水流中是无法测量的。 ( 3 ) 对于多普勒测速仪及激光p i v 、d p i v ，由于水流掺气后变为半透 明的乳白色而使光线无法穿透，因而这两种方法也是很局限的。 四川大学硕士学位论文 1 3 3 掺气浓度与流速的联合测量 一p 【 n 一 平面图与正视图( t f ) a - a 断面图( 1 ) e f t i o 一 l u b p 、 6 怖帅 t 量b 旁”一_ 船帅咖5 s c f t o n c o m b i n e dp r e s s u r ea i rc o n c e m r a t i o np r o b e 图1 9掺气浓度与流速联合测量 有人将流速与掺气浓度联合测量渊。k e l l e r t 2 9 l 测量掺气，其装置如图1 - 9 所示。由两个电极之间的电阻来测量掺气浓度的方法晟早由l a m b 和k i l l e n 应用于自掺气水流，这一方法简便实用因而被广泛应用，同时也出现在经过 改进的更先进的些仪器上也能找到这种方法的应用的身影。此装置中掺气 四川大学硕士学位论文 浓度是通过测量两个电极之间的电阻得到的。在测流速时，一根内嵌的压力 管将驻点的压力传至一个压力传感器，然后转变为电信号后得出。两者的测 量定位几乎是同一点。压力韵定位是由连接于停滞点的压力管的直径来决定 的，这一直径为6 m m ；而掺气浓度测量点的定位则是由两电极的间距来决定 的，这两个值共同决定测量的定位范围，这一范围一般为1 2 m m t 2 鼬。 1 3 4 新型测针式掺气浓度流速仪嘲 随着对掺气水流实验与研究的进展，在长期地对掺气总量与浓度进行了 大量的测量与研究后这一领域关注的重点开始转向对气泡尺寸与概率分布 的考查。那么首先需要研制能满足这种需求的测量仪器。在掺气水流中含有 无数的不同尺寸的气泡，对它们要作一一测量与记录首先要求有很高的响应 速度和运算能力，这与电量法的特点是相符合的；同时要对掺气水流中的小 e , i r e s f s t t w t y & v e l o c i t yp r o b e 图卜1 0测针施测示意 四j i i 大学硕士学位论文 至l m m 以下的气泡有良好的分辨能力就要求在空间上有精准的定位，而这 一要求用针式的测量仪可以满足。也即对气泡尺寸与概率分布的测量需要将 其作成带传感器的针型仪器。而更为有利的是，使用这一方案还可同时测量 掺气浓度和流速以及气泡尺寸的概率分布。 u p s t r e o r n p r o b e d o w n s t r e c , m p r o b e 卜一荡- ； n m e 再册e 图卜1 1测针输出信号示意 这种仪器的测针，除其尖端部分暴露外其它部分都包裹于一绝缘层中。 当测针头接触到的水体那么在测针头及和测针被一绝缘层分割开的不锈钢 c r o s s c o r r e l o h o n f u nc t i o n (e1ty，pical，cross-correlogram 图1 - 1 2典挚的相关益线 1 6 厂一 |- 1 四川大学硕士学位论文 套管之间产生电流。如图1 1 0 所示而当测针头周围的是空气那么测针头与套 管之间仍然保持绝缘，此时没有电流产生。 输出的是测针尖与套管之间的电阻值，将有两个值，分别代表空气与水， 如图1 1 l 当然这是理想状态的输出，而实际上由于测针头的受水浸润后的潮 湿状态将使输出值并不是理想的规则的二值矩形波，而表现出扭曲，如图中 所示波形的转角位置所发生的变化。 1 掺气浓度测量 那么当仪器以频率，进行测量，历时丁，则共获得数据n 2 f 。t 个，可 将这n 个数据分为两类，分别对应于空气和水：显然，对这两类进行统计就 可以得到掺气浓度的值。 一r c = j = l n ( 1 - 7 ) f 1 第f 点属于“空气”集合 其中“4 l o 否则 ( 1 8 ) 2 流速测量 测流速时则需要在流速方向上布置两个电阻式测针，利用相关分析技术 来求出。这一技术是由h e r r i n g 与d a v i s 3 1 1 及s e r i z a w a t 捌分别独立完成的。当 两个测针布置在水流方向上时，那么流速就可以通过两测针间距离与测针间 水气交界面( 气泡壁) 通过所用时间来求得。理论上讲这两个测针上的信号 是相同的只是相距了一个时问间隔“，如图1 - 1 1 所示。而实际上，由于上 游侧的铡针破坏了流场而使得这两个信号是不同的。而这时可用相关分析技 术将时间间隔20 找出来。当把两组信号基于时间延迟的相关系数绘成图，那 么相关系数最大点对应的时间间隔就是20 ，如图1 一1 2 。 r 口( f ) = x ( n ) ) ，( 一十f ) 蹦啪= 廊隆咖r ) ) r e 0l = lj ( 1 9 ) ( 1 一1 0 ) 殴川大学硕士学位论文 l v = 一 。0 ( 1 - 1 1 ) 其中 f 一延迟时间 一相关系数最大值对应延迟时间 址一两测针间距 t 在求相关系数时所有的时间延迟最大值 n 测量所得数据个数 3 气泡尺寸测量 求得流速值后可进步获得气泡尺寸值。 d ：兰堡 f ( 1 1 2 ) 其中”一一第i 个气泡在记录中的数据个数，求解框图如图1 1 3 ； 但这个方法首先假设上游侧测针没有改变两测针间的水气交界面的速度。其 次是这一速度与水流的速度是相同的。因而在设计时要根据水气交界面的特 性来决定测针尖大小及整个测针所占空间大小，比如对于大小为l m m 的均 匀气泡流的测量就需要( 1 ) 测针尖必须明显小于l m m 以减小对气泡扭曲变 形与偏转：( 2 ) 要使气泡在碰到上游侧针头后能继续与下游侧针头相碰则必 需使两针头间距不大于1 0 m m l 2 3 1 。 图卜1 3 求气泡尺寸算法程序框图 四川大学硕士学位论文 1 3 5 数字图像处理的发展概况。 在对掺气量的测量中有种新技术值得关注，那就是图像处理方法测量 掺气量技术。 该技术的主要内容是首先将掺气量信息通过拍摄相片等方法将水气两相 在拍摄时刻、拍摄取样点范围内的空间分布信息转换为光的色彩、亮度等的 光学信息并由相片作为载体存储其中，而后运用图像处理的理论与方法做识 别与分割，进行分析与计算得出气泡尺寸与掺气量。不少学者对此方法计算 掺气水流的掺气浓度引起了的研究兴趣，用这一方法可求得水中气泡大小及 运动速度【3 3 】【3 5 】。这一方法属于非接触式的测量，有其不干扰流场、施测简 单的特点。 1 4 本文研究的目的与内容 本文的内容分两部分： 1 在陡槽上对自掺气及强迫掺气水流在不同水力条件下的流速、掺气浓 度及气泡尺寸的分布进行实验测量，寻求各自在分布上的规律； 2 讨论图像处理方法在气泡尺寸分析中应用的可行性，在已有的理论与 方法的基础上改进，并将其应用于实验中。 参考文献 1 吴持恭明渠水气二相流 岫成都：成都科技出版社，1 9 8 9 6 2 h t 法尔维