（化学工程专业论文）汽液固三相流的ccd可视化研究.pdf

摘要 汽液固三相循环流换热器具有良好的防、除垢和强化传热的作用，在各工业领域 具有广泛应用前景。但是，目前对该系统的流动、强化传热、以及防除垢机理的研究 尚有不足之处，这与该系统本身比较复杂和已有的研究多是在不透明的设各中进行等 因素有关。本文采用c c d 测量和图像处理技术对汽液固三相自然循环流动沸腾系统进 行了可视化研究。 本文在总结了多相流强化传热和防除垢技术的研究现状、测试手段及其图像处理 方法研究进展的基础上，提出了本文的研究思路与方法。 本文利用一套采用透明膜电加热的汽液固三相自然循环流沸腾蒸发装置系统为实 验台，在自行开发的c c d 测量和图像处理软件及硬件系统以及片光源系统的基础上， 对热模情况下的汽液固三相自然循环流内部的分散相的流动及分布情况，汽液固三相 流传热特性等进行了研究。结果表明：固含率的轴向分布具有波动的特性，而且随热 通量的逐渐增加先增加后减小，随固体颗粒加入量的增加而增加。在液固两相区内， 固体颗粒的径向分布规律是管壁附近多而管中，心少，而在汽液固三相区，其分布规律 恰恰相反。固体颗粒的轴向速度的轴向分布也是波动的，轴向速度随热通量的增加而 增加，而固体颗粒对其影响是多方面的。无论是轴向、径向固含率还是固体颗粒的径 向速度都是随时间波动的。汽液固三相流动沸腾传热系数随热通量和固体颗粒加入量 的增加而增加，是汽液两相流动沸腾传热系数的1 5 2 倍。 在本文中初步讨论了流化床中的汽含率、液含率以及汽泡速度等随操作参数的变 化规律。并根据实验结果，将渐进模型和表面更新机理结合起来，建立了汽液固三相 流动沸腾传热系数模型。模型计算结果与实验结果吻合较好。 关键词：三相流自然循环c c d 可视化片光源固含率固体颗粒速度 a b s t r a c t t h ev a p o r - l i q u i d s o l i d ( v l - s ) c i r c u l a t i n g f l u i d i z e db e dh e a te x c h a n g e rc a n e f f e c t i v e l ye n h a n c eh e a tt r a n s f e ra n dp r e v e n ta n dr e m o v et h ef o u l i n g ，a n d h a sb e e n w i d e l ya p p l i e d i nm a n yi n d u s t r i a lp r o c e s s h o w e v e r , t h em e c h a n i s m so f f l o w m a dh e a t t r a n s f e ra r es t i l ln o tw e l lu n d e r s t o o dd u et ot h es y s t e mc o m p l e xa n dt h el i m i t a t i o no f t h em e a s u r i n gm e t h o d sd u et ot h eo p a q u ec h a r a c t e r i s t i co f t h es y s t e mi np r a c t i c e i n t h i sp a p e r , ac c dm e a s u r i n gs y s t e ma n dt e c h n i q u e so fi m a g ed e a l i n ga r eu s e dt o c a r r yo u ta v i s u a li n v e s t i g a t i o no na v a p o r - l i q u i d s o l i dt h r e e p h a s en a t u r a lc i r c u l a t i n g f l o wb o i l i n gs y s t e m b a s e do ns u m m a r i z i n gt h ed e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c hs i t u a t i o n so ft e c h n i q u e so f e n h a n c i n gh e a tt r a n s f e ra n dp r e v e n t i n ga n dr e m o v i n gt h ef o u l i n g sf o rm u l t i - p h a s e f l o w , m e a s u r i n gm e a n s a n dm e t h o do f i m a g e d e a l i n g t h ei d e ao f t h i sp a p e ri sg i v e n ， as e to fn e w t y p ev a p o r - l i q u i d s o l i dt h r e e - p h a s en a t u r a lc i r c u l a t i n gf l o wb o i l i n g s y s t e m ，w h o s ef l o w u p b e da n df l o w - d o w nb e da r eg l a s s e sp l a t e dw i t ht r a n s p a r e n t e l e c t r i c a l l yh e a t i n gf i l m ，i se s t a b l i s h e da se x p e r i m e n ta p p a r a t u s f l o wc h a r a c t e r i s t i c s ， d i s t r i b u t i o n so fs u s p e n s i o n sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fh e a tt r a n s f e ri nt h ev l ss y s t e m a r ei n v e s t i g a t e db yu s i n gt h ec c dm e a s u r i n gs y s t e m ，s o f t w a r eo fi m a g ed e a l i n g d e v e l o p e db yo w n s e l f , s y s t e mo f l a s e rs h e e ta n do t h e rh a r d w a r es y s t e m t h er e s u l t s s h o wt h a tt h ea x i a ld i s t r i b u t i o n so fs o l i dh o l d u po c c u p yt h ec h a r a c t e ro ff l u c t u a t i o n s o l i dh o l d u pi n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo ft h ea m o u n to fs o l i dp a r t i c l e sa n dt h e i n c r e a s eo fh e a tf l u xw h e ni ti s r e l a t i v e l yl o w , b u td e c r e a s e sw h e nh e a tf l u x i s r e l a t i v e l yh i g h t h er a d i a l d i s t r i b u t i o nr u l ei nl i q u i d - s o l i dt w o p h a s er e g i o ni st h a t r a d i a ls o l i dh o l d u pi sg r e a t e rn e a rt h ew a l lt h a ni nt h ec e n t e ro ft h eh e a t i n gt u b e ， w h i c hi sc o n t r a r yt ot h a ti nv l st h r e e p h a s er e g i o n a x i a lv e l o c i t yo fs o l i dp a r t i c l e s i n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo fh e a tf l u x ，w h o s ed i s t r i b u f i o n sa l s oo c c u p yt h ec h a r a c t e r o ff l u c t u a t i o n h o w e v e r ，t h ea m o u n to fs o l i dp a r t i c l e si n f l u e n c e sa x i a lv e l o c i t yo f s o l i dp a r t i c l e so nm a n ya s p e c t s a x i a la n dr a d i a lh o l d u p so fs o l i dp a r t i c l e sa n dr a d i a l v e l o c i t yo fs o l i dp a r t i c l e sa r ea l lf l u c t u a t i n gw i t ht i m e h e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to f v - l st h r e e p h a s ef l o wi n c r e a s e s w i t ht h ei n c r e a s eo fh e a tf l u xa n dt h ea d d i t i v e a m o u n to fs o l i dp a r t i c l e s ，w h i c hi s1 5o r2 0t i m e sl a r g e rt h a nt h a to fv a p o r - l i q u i d f l o w i na d d i t i o n ，t h ec h a n g e so fh o l d u p so f l i q u i da n dv a p o ra n dv e l o c i t yo f b u b b l e w i t ht h eo p e r a t i o n p a r a m e t e r sa r ed i s c u s s e di nt h i sp a p e r a f l o w b o i l i n g h e a tt r a n s f e r m o d e lo ft h ev - l s t h r e e p h a s e f l o wi n c o r p o r a t i n gt h ea s y m p t o t i cm o d e la n dt h e m e c h a n i s mo fs u r f a c er e n e w a li sp r o p o s e dh e r e t h ev a l u e sc a l c u l a t e db yt h i sm o d e l a g r e ew e l lw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t a k e yw o r d ：t h r e e - p h a s ef l o w n a t u r a lc i r c u l a t i n gc c d l a s e rs h e e t h o l d u p o fs o l i dp a r t i c l e s v e l o c i t yo f s o l i dp a r t i c l e s 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和取得 的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨注盘堂或其他教育机构的 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 均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：钇盖争 签字日期：矽睁年，月同 。 j 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的土见 定。特授权墨盗盘鲎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，并采剧影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅利借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名乃逆哥 签字同期：卅年月f 日 导师躲友t 明言 签字日期：夕一伊年月i 日 第一章前言 第一章前言 在汽液两相流动沸腾系统中加入一定量的惰性固体颗粒，就形成了汽液固三 相流技术。它具有良好的防除垢和强化传热效果，因而在石油、化工、能源、动 力、轻工等领域具有较为广泛的应用前景。为此，已经从理论和工程应用方面对 其进行了许多研究。但是，这并不意味着对汽液固三相流技术的机理已经十分清 楚。造成这种局面的原因之一是在实验研究中，该三相流沸腾系统是不透明的， 用一般的多相流测量技术很难对其行为进行观察和实验研究。 在气固、液固、气( 汽) 液固流化床中，分散相固体颗粒和汽泡的特征参数 的准确测量是实验研究的关键。它对于流化床内的流动行为、轴向及径向混合、 传热、传质特性的研究具有重要意义。虽然也有研究者将气液固系统的研究结论 推及到汽液固系统，但是，这种推论并不十分严谨。 近年来，研究者开始运用c c d 测试技术对多相流系统进行研究。张利斌 采用c c d 测量系统，研究了液固和气液固循环流化床内流场及颗粒浓度和速度 的分布。贾丽云口 采用c c d 图像采集与处理系统在透明有机玻璃冷模多管设备 上对固体颗粒速度与固含率的径向分布( 即固体颗粒的速度与固含率在管柬中的 分布) 进行了研究。刘俊杰p 1 利用c c d 和激光技术，对单管液固循环流化床的 流动特性主要是固体颗粒速度和浓度分布进行了研究。但这些研究主要集中于冷 模状态下的液固循环流化床和气液固循环流化床，而对现在已广泛应用于工业生 产中的汽液固循环流化床的流动特性尚未涉及，其研究结果也不能完全推及到汽 液固三相系统。文献调研表明，国内外尚未见到对汽液固三相流系统的流动和传 递行为，尤其是其流动行为，运用可视化技术手段进行系统的观察和研究的报导。 本文将利用c c d 图像测试系统对汽液固三相自然循环流化床的流动特性进 行研究。主要内容包括以下几部分：综述多相流测试技术，尤其是c c d 技术和 数字图像处理技术的研究进展；对透明膜电加热玻璃管汽液固三相自然循环流动 沸腾系统应用c c d 测量和图像处理系统拍摄不同操作条件下流化床内的流动状 况的图片；利用自行开发的软件系统对图片进行处理，获得汽液固三相自然循环 流化床内的分散相的流动特性数据，讨论其随操作参数的变化规律，并对流化床 的传热特性进行研究；利用获得的实验数据建立汽液固三相流传热系数模型。这 些研究为汽液固三相循环流化床强化传热和防、除垢技术的工业应用及揭示其机 理提供了有益的借鉴。 第二章文献综述 第二章文献综述 在这里综述了与本课题相关的液固流化床、汽液固三相流化床、多相流测 试技术研究进展，尤其是多相流c c d 测试技术研究进展。指出了本论文的研究目 的、意义、必要性以及本文的主要研究内容。 2 1 多相流化床换热器的研究进展 多相流化床中的液固流化床换热器首先在美国、瑞典、荷兰等国家进行了研 究并得到应用。在美国，流化床换热器已开始应用于地热开发研究【4 】和海水淡化 装置中【5 】 6 ；在瑞典，流化床换热器也已经用于热量回收和海水淡化中的多级闪 蒸1 7 j 【州；在荷兰，科学家经过长期实验研究，建成了一套总换热面积为1 0 0 0 m 2 的流化床换热器海水淡化示范装置【9 】【1 0 】。上述研究结果均表明：由于固体粒子在 随流体的运动中不断穿过流动边界层，即使在小流速下传热也能得到强化；依靠 固体颗粒与换热壁面的不断碰撞、颗粒对壁面的冲刷等作用，可有效除去换热壁 面上沉积的污垢，即使有垢层产生，其厚度也能得到很好控制，使换热器的传热 系数维持在一个可接受的操作范围内而不需停车清垢。 保持液固流化床换热器管束内的稳态操作是流化床换热器设计的关键，它 要求管束内液体流速和固体颗粒分布均匀。从其发展过程看，液固流化床换热器 经历了散式流化床、单根及多根下降管的内循环流化床和外循环流化床等几个阶 段。典型的散式流化床换热器包括进口段、换热管束和出口段三部分。在此基础 上，d k k l a r e n 【l l j 提出了一种三箱管式散式流化床换热器，如图2 1 所示。其 图2 - 1 三箱管式流化床换热器 f i g u r e2 - 1s c h e m a t i co f f l u i d i z e db e dh e a te x c h a n g e rw i t ht h r e e - c h a m b e r s 第二章文献综述 中进口段分为液体进口段和固体颗粒分布段，在进口管箱和颗粒流化段之间设有 液体分布板。上述结构的不足之处在于很难实现固体颗粒的正常循环。为此， d g k a l r e n ”j 设计了一种单根下降管的内循环式流化床换热器，如图2 2 所示， 在换热器管束中央专门设有一根下降管用于分离固体颗粒，从而实现了固体颗粒 在管束中的循环。但由于固体颗粒的进出通道数且不同，这种结构上的不对称性 容易带来操作的不稳定性。 下t 分布盘 图2 - 2 具有单根下降管的 内循环式流化床换热器 f i g u r e2 - 7s c h e m a t i co f i n n e r c i r c u l a t i n g f l u i d i z e db e dh e a t e x c h a n g e r w i t hs i n g l ef a l l i n gt u b e 图2 3 具有多根下降管的 内循环式流化床换热器 f i g u r e2 - 8s c h e m a t i co f l n n e r c i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e dh e a t e x c h a n g e r w i t hm u l t i p l e f a l l i n gt u b e 1 一液体入e l ；2 - - 筛网；3 一分布板：4 - - 下管箱；5 - 下管板；6 一换热管： 7 一上管板：8 - - 上管箱；9 、1 卜液体出口：1 i 旋液分离器；1 2 循环管 闰2 - 4 外循环式流化床换热器 f i g u r e2 - 4s c h e m a t i co f o u t e r c i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e dh e a te x c h a n g e r j s t k o l l b a c h 和r r a u e n b a c h 在传统的管壳式换热器的基础上进行了相应 一势f翱从 第二章文献综述 的结构改变，设计了如图2 3 所示的具有多根下降管的内循环式流化床换热器， 从而在一定程度上解决了单根下降管流化床换热器的操作不稳定性问题，但其结 构较为复杂，成本也较高。 d gk l a r e n r l5 1 为了进一步克服单根下降管流化床换热器操作上的不稳定 性，又开发了一种外循环式流化床换热器，如图2 4 所示流体和固体颗粒在下 管箱内接触、流化并分布并均匀混合，经分布板进入换热器管束，从上管箱流出 后经悬液分离器实现固液分离，液体从悬液分离器顶部排除，固体颗粒则经外循 环管返回下管箱中再次循环使用。这种外循环式流化床换热器的最大优点在于管 束内固体颗粒分布较为均匀，系统操作稳定。 随着流化床换热器的工业应用，研究者们首先对流化床换热器的传热效果与 防、除垢性能进行了较深入和广泛的研究。 r r a u t e n b a c h 、j s t k o l l b a c h 1 3 b 4 从不同角度比较了流化床换热器与普通换 热器的换热性能，发现对较低的表观液速与黏度较大的液体，流化床换热器均能 达到较高的传热系数。j s t k o l l b a c h 还分别给出了各自的传热系数关联式。 j s t k o l l b a c h 、j a m m e i j e r 、h i d e t o s h im o r i m 】以硫酸钙溶液为工质，对 流化床换热器防、除垢性能进行了考察，同时研究了固体颗粒尺寸与加入量对防、 除垢性能的影响。其研究结果表明流化床换热器具有良好的防、除垢性能。 以上所研究讨论的流化床换热器无论形式如何变化，都有一个共同的特点， 即加热管中始终为液- 固两相。所以上述流化床换热器只能称为液固流化床换热 器。蒸发沸腾传热在工业上应用是非常普遍的。沸腾中壁面污垢的形成要比单相 换热露严重得多，且沸腾传热的换热系数要比单相液体的换热系数高得多。因此 对在沸腾系统中加入惰性固体粒子以强化传热并防垢除垢也逐步引起人们的兴 趣。 2 2 汽液固三相循环流化床强化传热和防除垢技术研究 液固流化床换热器的成功应用使人们想到是否可将流化床技术应用于结垢 更为严重的蒸发沸腾换热过程。早期研究者对含固体颗粒的池沸腾过程的研究为 这一应用奠定了必要的理论与实验基础。自2 0 世纪7 0 年代起，s w tj o n e 18 1 、 y u m i n g y a n g 1 9 1 等、yk c h u a c h 和vp c a r e y 2 m 、m h s h i l 2 1 】等先后从不同角度 对含固体颗粒的池沸腾过程进行研究。研究结果表明固体颗粒的加入使沸腾传热 性能有很大提高。他们认为固体颗粒强化沸腾传热的机理主要有d a t _ - - 个方面： ( 1 ) 固体颗粒的加入提供了附加的汽化核心；( 2 ) 促进了汽泡形成所必需的过 热液体边界层的产生；( 3 ) 破坏了汽泡核化过程中发生的亚稳条件，促进核化过 第二章文献综述 程发生并基本消除沸腾滞后。 2 0 世纪8 0 年代末到9 0 年代初，一些研究者将固体颗粒加入到管内两相流 动蒸发沸腾系统中，并对固体粒子强化流动沸腾传热及防除垢效果进行了初步的 研究。具体结果如下： 李修伦、刘绍丛i 捌、闻建平吲 2 4 i 【2 5 1 等在汽液两相流动系统中加入固体颗粒 形成汽液固三相流，并对其传热性能进行了研究，其中的固体颗粒处于悬浮状态 而没有进行循环。研究表明：与两相流动传热系数相比，汽液固三相流传热系数 均大大提高，固体颗粒的加入还有很好的防垢效果，并提高了沸腾传热过程的稳 定性。强化传热效果与固体颗粒的密度、导热系数和比热等物性有关。 李修伦和张利斌等【2 7 1 将汽液固三相流由悬浮流化状态拓展为循环流化状 态，实现了固体颗粒的分离和再循环，满足了工业生产的实际需要，得到了国内 众多产业部门的广泛关注。实验工质为饱和盐卤，采用饱和水蒸汽加热，考察了 加入不同固体颗粒( 玻璃球、陶瓷球、钛粒和钢球) 的情况下，这种新型蒸发器 的强化传热和防、除垢性能。 李秀伦 2 s 】对上述蒸发器的强化传热和防、除垢性能作了进一步的研究，并 提出了最优工艺参数范围；他们认为：固体颗粒对流动沸腾传热过程的强化效果 不仅与其密度、比热、导热系数等物性参数有关，还与颗粒的润湿性能有关。 邹克华【2 9 j 利用电加热系统研究了三相循环流化床的流动沸腾传热和压降， 以烧碱溶液为工质，探讨了加入固体颗粒后烧碱溶液蒸发沸腾装置的防、除垢性 能，从而也拓宽了汽液固三相循环流化床蒸发器的应用范围。 h i d e t o s h i l l7 j 等在用于海水加热与浓缩的装置中加入固体颗粒，研究了传热面 上硫酸钙垢层的清除效果，当颗粒浓度为约4 0 5 0 k g m 3 时，垢层的最终除去比 例有一渐进值。 于志家等口o l 在两相流载气蒸发系统中引入固体颗粒，发现不仅可既显著强 化传热，而且壁温及壁面液体过热度明显下降。他们认为，引入固体颗粒后，有 效的抑制了加热壁面上的泡核沸腾，同时固体颗粒的运动对已有的垢层具有明显 的冲刷作用。于志家等1 3 i j 在垂直环隙内的流动沸腾过程中加入固体颗粒，对其 传热性能进行了研究，也得到了与文献【3 0 】相似的结论。 张少峰、陈健生【3 2 】等人以饱和盐卤为工质，研究了刚玉粒子对饱和盐卤 蒸发的强化传热和防、除垢性能，以及自然循环状态下颗粒的强化传热和防、 除垢性能。实验表明：固体粒子在自然循环条件下仍有较好的强化传热和防、 除垢效果。自然循环的操作方式因其能耗低及设备投资少而具有较大的实用价 值。 高振楠、贾原嫒等将汽液固三相流强化传热和防、除垢技术应用到 第二章文献综述 造纸的黑液蒸发中去，取得了较好的强化传热和防、除垢效果。 李修伦等2 6 2 9 固- 3 3 1 对天津长芦汉洁盐场的年产3 万吨氯化镁卤水蒸发装置 与设备进行了技术改造，取得了连续运行2 5 0 0 余小时而不结垢的运行结果。 刘明言等【3 6 _ 3 8 】经过到中药制药厂的广泛调研，发现中药浸取液的浓缩过程 存在挂壁问题，提出了向中药浓缩器中加入生理惰性固体颗粒以解决挂壁问题的 新思路，并与天津中新药业乐仁堂制药厂合作，进行了更年安中药浸取液三相流 化床高效防垢浓缩技术及装置的小试、中试研发。结果表明：该装置可提高传热 系数1 5 - 2 0 倍，连续运行1 5 天以上无结垢现象。 任斌等 3 9 j 等将汽液固流化床蒸发器应用于绿茶浓缩过程中。实验表明：采 用玻璃珠作为惰性粒子，工质连续沸腾操作1 2 0 小时以上时蒸发管内壁上仍没有 结垢现象。而在实际生产中茶汁结垢的情形较为严重，每天均需进行清洗除垢。 以上工作对汽液固三相循环流化床在各种工质和固体颗粒条件下的强化传 热和防、除垢效果研究得较为深入和全面，但对其运动机理尚无准确论述。原因 之一是缺乏对于系统内部流体行为的研究。多相流测试技术的发展对于能否实现 这一研究具有重大意义。 2 3 多相流测试技术 多相流测试技术是一门难度很高的、跨多种学科的新兴学科4 0 1 。在多相流 动系统中，由于各相之间的相互作用，其相界面在时间和空间上都有可变性和随 机性，流动特性远比单相流复杂。因此，描述多相流动不仅比单相流动有更多的 常规参数，而且具有区别于单相流的特性参数，其参数检测的难度很大。在气固、 液固、气( 汽) 液固流化床中，固体颗粒特征参数的准确测量是实验研究的关键。 它对于流化床内的流动行为、轴向及径向混合、传热、传质特性的研究具有重要 意义。颗粒参数的测试方法大致可分为两类：一类是内置法，常用的有压差探头、 电容探头、光导纤维探头、取样探针、压电探针等；另一类是外置法，主要有压 力分布法1 4 1 、摄影法【矧、激光多普勒法h 3 1 、x 射线法h 4 】、b 射线法 4 5 等。对于 内置法，无论探头结构多么微小精细，或多或少都会对流场产生干扰。外置法则 没有这个问题，但多要求测试处是透明的。固相特性测量内容主要包括：局部固 相浓度的测量、局部固相速度的测量。本文将简要介绍几种与本文测试手段相关 的外置测试方法。 2 3 1 激光多普勒( l d v ) 测速 激光多普勒( l d v ) 测速4 习是一种利用激光照射到流体产生的多普勒效应 6 第二章文献综述 原理来测量多相流体速度的新兴测试技术。在所测流体中必须存在可以散射入射 激光的微粒。微粒可以是夹在气流中的液滴，也可以是夹在液流中的细小气泡， 还可以是夹在气流和液流中的固体颗粒，但微粒数量不宜过多，以免影响激光的 通过。激光多普勒测速仪【4 6 】【4 7 可以测量二维或三维速度场，还可以测定颗粒尺 寸、瞬时局部空隙率1 4 ”。l d v 测量技术具有精度高、非接触式、对流场无干扰 性等优点。但其结构复杂、造价昂贵，对使用技术要求较高。它只能单点测量而 无法对一个流域内的流速同时测定，恰恰这方面对多相流来说是十分关键的【4 9 】。 2 3 2 摄像法 摄像法是较早用于观察多相流行为的传统方法之。目前仍有许多研究者应 用摄像法定量测量流化床内流体与颗粒的各种参数，只是采用各种更为先进和精 密的仪器。t a k e u c h i 和h i r a m a 【4 2 j 曾用高速摄像机观察循环流化床内的流型与颗 粒团的形成过程；w e r t h e r 和h a r t a g e 5 0 1 采用c c d 摄像机测量循环流化床中气动 输送行为； g b a v c i c 掣” 贝0 用电影摄像机测定液固流化床中示踪颗粒的速度等。 摄像法豹数据处理过程复杂而繁琐，随着数字图像采集与处理技术的飞速发展， 传统意义上的摄像法己较少使用，但其基本原理对开发新的多相流测试手段仍具 有指导意义。 2 3 3 颗粒成像测速法( p l v ) 颗粒成像测速( p a r t i c l ei m a g ev e l o c i m e t r y 简称p i v ) f 5 2 是激光技术和数字 图象技术的结合，是近几年发展起来的新的多相流测试技术之一。p 技术的发 展经历了一个多样而快速的发展演化过程，至今仍处在快速的发展之中。电子技 术、光学技术、计算机技术、图像处理技术、激光技术等的发展对p i v 技术的 发展起到至关重要的作用。r j a d r i a n ，r b u c h h a v e 和i g r a n t 等人在不同时 期，从不同角度概述了p i v 技术的发展过程5 3 5 4 5 5 1 。p i v 技术在本质上是图像 分析技术的一种。它是由激光闪斑位移技术t 5 6 1 发展而来的。其基本原理是：激 光束经柱面透镜形成片光源，照射被测流场，用高分辨率c c d 像机直接对流场 空间进行成像数字采样，然后将图像数据传至计算机进行处理。通过多幅图像同 一位置的小面积元( 分析窗口) 逐对进行计算。计算出分析窗口内颗粒平均位移： 当分析窗口足够小时( 相对于床层) 则该速度可视为该点的瞬时速度。p i v 在技 术的实现衍生出了多种形式，主要有以下模式： 从示踪粒子播放浓度上分： ( 1 ) 浓度方式- - p t v ( p a r t i c l et r a c k i n gv e l o c i t y ) r i j 粒子跟踪模式； 第二章文献综述 ( 2 ) 浓度方式一p ( p a r t i c l ei m a g ev e l o c i m e t r y ) 即粒子成像模式； ( 3 ) 高浓度方式- - l s v ( l a s e rs p e c k l e v e l o c i m e t r y ) 即激光散斑模式。 经过大量的实践摸索后，中粒子浓度( p r v ) 模式以其在测量精度、空间分辨 率、图像处理方法等方面的优势，已经成为粒子浓度和速度测量的主要方式。 2 4c c d 技术m 1 2 4 1 c c d 技术简介 c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e s ) 5 8 1 5 9 娜电荷耦合器件，是一种新型的固体 成像器件。其突出特点是以电荷作为信号：其功能是把二维光学信号变成一维视 频信号，并经监视器同步显示出一幅人眼可见的图像。它是由大量独立的光敏元 件组成，这些光敏元件通常是按矩阵排列的。光线透过镜头照射到c c d 上，并 被转换成电荷，每个元件上的电荷量取决于它所受到的光照强度。当你按动快门， c c d 将各个元件的信息传送到模数转换器上，模拟电信号经过模数转换器处理 后变成数字信号，数字信号以一定格式压缩后存入缓存内，此时一张数码照片诞 生了。然后图像数据根据不同的需要以数字信号和视频信号的方式输出。 这种新型光电成像器件于1 9 7 0 年首先在美国研制成功。由于它具有灵敏感 度高、分辨率高、具有理想的“扫描”线性和数字扫描能力、体积小、成本低廉 等优点，因而得到了较为广泛的应用。r c c h e n 等啪1 开发了颗粒图像处理系 统，经计算机图像处理系统进行分析，可以得到低浓度下的颗粒浓度分布；李盛 彬、王庆有等人f 6 1 】将彩色线阵c c d 应用于物体尺寸精密测量的研究：h w 抽g ，y = yz h a n g 等1 6 2 采用c c d 技术测量金属箔片的线性热力学膨胀：c h uw e i k o m s m i t h ，c h u c k 等i 6 3 将c c d 应用于医学成像。目前，c c d 技术的发展异常迅速， 已在国防、公安、工业、医学、生物、天文、宇航等技术和科学领域得到广泛应 用。 c c d 器件本身具有许多优点： ( 1 ) c c d 是固体化器件，体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、寿命长； ( 2 ) 图像畸变小，尺寸重现性好； ( 3 ) 采集频率高，高速度； ( 3 ) 像素超高度集成化及高分辨率： ( 4 ) 光敏元间距的几何尺寸精度高，可获得较高的定位精度和测量精度； ( 5 ) 具有较高的光电灵敏度和较大的动态范围。 2 4 2 c c d 技术的应用现状及前景 第二章文献综述 c c d 以它无可比拟的优点，日渐成为现代光电技术和现代测试技术领域中 最有发展前途的技术手段之一。c c d 技术是集光学、电子学、精密机械学及微 计算机技术于一体的综合的新兴技术，应用领域相当广泛。它可应用于： f 1 ) 计量检测：对工业产品的尺寸、位置、表面缺陷实现非接触在线检测， 距离测定等： f 2 ) 光学信息处理：光学文字识别o c r ( o p t i c c h a r a c t e rr e c o g n i t i o n ) ，标识识 别o m r ( o p t i c m a r kr e c o g n i t i o n ) ，图形识别o p r ( o p t i cp a t t e r nr e c o g n i t i o n ) ，光 谱能量检测： ( 3 1 生产过程自动化：自动工作机械，自动售货机，监视装置等： ( 4 ) 军事：导航，自动跟踪，侦察等。 下面举几个c c d 技术的典型应用例子： 作为一种有效的非接触测量方法，c c d 尺寸检测技术被广泛用于工件尺寸的 在线非接触检测，达到自动控制的目的。 传真是现代通讯系统不可缺少的手段，用c c d 作传真机，图文传送速度较 快，可以在不到一秒钟内完成一页a 4 稿件的扫描。 把高密度线阵c c d 扫描系统安装在飞机、卫星上。由飞机、卫星完成对地 面的实时的高分辨率的高空摄影。 c c d 可以用于微细结构、细胞、细菌、指纹图像等微小物体的观察分析。 c c d 还可以对汽车牌照进行自动识别，并己广泛应用于公安交通、存车场 警卫监控、高速公路自动收费等领域。 伴随着半导体集成电路工艺的目臻完善，新材料、新型器件结构的不断采用， c c d 技术将会在航天、空间遥感、工农业、天文、通讯等军、民用方面发挥更 大的作用。可以断言，c c d 技术的应用前景是相当可观的。 2 5 数字图像处理 什么是图像( i m a g e ) ? 对此至今还没有精确的定义，目前常见的几种描述 是：图像为“物件或事物的一种表示、写真或临摹，一个生动的或图形化的 描述，”；“图”是物体透视光或反射光的分布，“像”是人的视觉对图的接 收在大脑中形成的印象或认识；图像是两者的结合；图像是可观景物通过某种系 统的一种映射；从广义上说，图像是自然界景物的客观反映。 2 5 1 图像的数字化哺盯 直接从观察系统( 输入系统) 获得、未经采样和量化的图像为模拟图像。模 第二章文献综述 拟图像在空间分布和亮度取值上均为连续分布。将模拟图像转换为离散数字图像 的过程称之为图像的数字化，其工作包括两个方面：取样和量化。所谓取样，就 是将一幅连续图像在空间上分割成m n 个网格( 图2 - 1 0 ( a ) ) ，每个网格中的 模拟图像的亮度均值作为该网格的亮度值。由于结果是一个样点值阵列，故又叫 点阵取样。取样阵列中的每仑网格被命名为象素或像元图( 2 - 1 0 ( b ) ) 。m n ta)墩摊阵训(b3 捌像象誊 c ) 般比 图2 - 1 0 图像数字化 f ：g u r e2 - 10t h en u m e r a l i z a t i o no fi m a g e s 的大小决定了离散图像的空间分辨率。取样使模拟图像在空间上离散化，但取样 点上的图像的亮度值还是某个幅度区间的连续分布。把取样网格点上对应的亮度 连续变换区间转换为单个特定数码的过程，称之为量化( q u a n t i z a t i o n ) ( 图2 1 0 ( c ) ) 。量化后的象素点整数值叫图像灰度级( g r a y l e v e l ) ，灰度层次的多少常用 2 “幂表示。n 大，图像的密度分辨率高，图像看上取柔和逼真。一般情况下，n = 8 ，即图像的灰度为2 5 6 级。 2 5 2 数字图像处理” 在数字图像处理中，一个最简单和最有用的工具是灰度直方图。该函数概括 了一幅图像的灰度级内容。任何一幅图像的直方图都包括了可观的信息，某些类 型的图像还可由其直方图完全描绘。灰度直方图是灰度级的函数，描述的是图像 中的象素的个数：其横坐标是灰度级，纵坐标是该灰度出现的频率( 象素的个数) ， 如图2 1 1 所示。 数字图像处理也叫计算机图像处理，其最早可以追溯到2 0 世纪6 0 年代初， 美国喷气推进实验室( j p l ) 用计算机对航空器发回的数千张月球照片进行处理， 成功地插绘出了月球的地形图和彩色图，从而开辟了人类历史上用计算机处理图 像的先河。 l o n二二。匿 第二章文献综述 图2 - 1 1 一幅图像及其灰度直方图 f i g u r e2 - l lo n ei m a g ea n di t sg r a yl e v e lh i s t o g r a m 数字图像处理从其本质上说，就是运用计算机强大的计算能力和“记忆”能 力，对离散图像阵列作某种“运算”、“变换”、“修饰”或“处理”，最终实现对 图像的“评价”、“识别”和“理解”。 基于二维画面的数字图像处理方法有两大类；空间域法和变换域法。 ( 1 ) 空间域图像处理 即在量化后的亮度函数图像点阵平面内作一维或二维处理。空间域法分点操 作和邻域操作两种方式，其运算规则可表示为 点操作 f ( x ，y ) = ( p f ( x ，y ) 邻域操作 f ( x ，y ) = w “f i j ( i ，j ) ( 2 ) 变换域图像处理 。 首先对空间域作正交变换( 如傅立叶变换等) ，得到变换系数阵列，亦称离 散频域图像。计算机对频域图像的处理，比在空间域处理更方便，计算量减少， 处理速度提高。在变换域处理后再反变换到空间域，从而得到目标图像。 2 5 2 1 使用阈值对图像分割 使用阈值是一种分割技术，它对物体与背景有较强对比的景物的分割特别 有用。它计算简单，而且总能用封闭而且连通的边界定义不交叠的区域。 当使用闽值规则进行图像分割时，所用灰度值大于或等于某闽值的被判属 于物体。所用灰度值小于该闽值的像素被排除在物体之外。于是，边界就成为这 第二章文献综述 样一些内部点的集合，这些点都至少有一个邻点不属于该物体。 如果感兴趣的物体在其内部具有均匀一致的灰度值并分布在个具有另一 个灰度值的均匀背景上，使用阈值方法效果就很好。如果物体同背景的差别在于 某些性质而不是灰度值( 如纹理等) ，那么，可以首先把那个性质转化为灰度， 然后，利用灰度闽值化技术分割待处理的图像。 ( 1 ) 全局阈值化 采用闽值确定边界的最简单方法是在整个图像中将灰度值设置为常数。如 果背景的灰度值在整个图像中可合理地看作为恒定，而且所有物体与背景都具有 几乎相同的对比度，那么，只要选择了f 确的阈值，使用一个固定的全局闽值一 般会有较好的效果。 ( 2 ) 自适应阈值 在许多的情况下，背景的灰度值并不是常数，物体和背景的对比度在图像 中也有变化。这时，一个在图像中某一区域效果良好的阈值在其它区域却可能效 果很差。在这种情况下，把灰度阈值取成一个随图像中位置缓慢变化的函数值是 适宜的。 除非图像中的物体有陡峭的边沿，否则灰度阈值的取值对所抽取物体的边 界的定位和整体的尺寸有很大的影响。这意味着后续的尺寸( 特别是面积) 的测 量对于灰度阈值的选择很敏感。由于这个原因，我们需要一个最佳的，或至少是 具有一致性的方法确定阈值。一幅含有一个与背景明显对比的物体的图像具有包 含双峰的灰度直方图( 图2 1 2 ) 。两个尖峰对应于物体内部和外部较多数目的点。 两峰问的谷对应于物体边缘附近相对较少数目的点。在类似的这种情况下，通常 使用直方图来确定灰度闽值的值。 !n 圳一：p 籼 匕一雄 图2 1 2 双峰直方图 f i g u r e2 - 12d o u b l e h u m p e dh i s t o g r a m 2 5 2 2 数学形态学图像处理 第二章文献综述 基本的形态学运算是腐蚀和膨胀，见图2 1 3 。根据定义，边界点是位于物体 内部，但至少有一个邻点位于物体之外的像素。 ( 1 ) 腐蚀 简单的腐蚀是消除物体的所有边界点的一个过程，其结果使剩下的物体沿其 周边比原物体小一个像素的面积。如果物体是圆的，它的直径在每次腐蚀后将减 少2 个像素。如果物体任一点的宽度少于三个像素，那么它在该点将变为非连通 的( 变为两个物体) 。在任何方向的宽度不大于2 个像素的物体将被除去。腐蚀 对从一幅分割图像中去除小且无意