X射线计算机层析成像技术在多相流中的应用

1、X射线计算机层析成像技术在多相流中的应用摘 要：流动成像是多相流研究时的一项重要实验手段。当流体和容器是透明的并且离散相的相含率比较低，可以直接利用普通的高速摄影仪得到实验所需要的图像。但是当流体不透明或者容器不透明或者相含率比较高时，就需要一种成像技术来满足流动成像的需求。非侵入式的流动成像技术能够提供高质量的多相流流动图像且不改变内部的流场。其中，X射线计算机层析成像技术是常用的一种非侵入式流动成像技术，能够为多相流的研究提供高质量的图像和大量的实验数据。本文简要介绍了X射线计算机层析成像系统的组成和特点及其在多相流领域的应用。关键词：多相流 X射线 层析成像 成像技术中图分类号：O434

2、.1 文献标识码：A 文章编号：The application of X-ray computed tomographic imaging technique in multiphase flowAbstract: Flow visualization is one of the important experimental means when investigate multiphase flow. It can directly get the needed graphs by high-speed camera when the flow and container are trans

3、parent and the volume fraction of dispersed phase were very low. When the flow or the container is not opaque, or the volume fraction of dispersed phase is very high, a new imaging technology for flow visualization is needed. Noninvasive flow visualization technique can provide high quality flow ima

4、ges while do not change the inner flow field. X-ray tomographic imaging technique is one of the common use noninvasive flow visualization technique, which can provide high quality images and numerous experiment dates for visualization. The composition of X-ray computed tomographic imaging technique

5、and its application in multiphase flow was described briefly.Key words: multiphase flow , X-ray，tomography，imaging technique0 引言多相流广泛存在于石油，化工，矿业，纺织，造纸等工业领域，掌握好多相流的流型，相含率等，对提高生产效率有极为重要的意义1。然而，多相流流动的复杂性对其测试技术提出了很高的要求，例如对流场无干扰，时间分辨率和空间分辨率要足够高。实验室中研究多相流运动特征时常用有机玻璃来做容器。因有机玻璃为透明介质，有利于直接观察到内部的运动状态，所以可以直接用高

6、速摄影仪成像来对多相流的运动进行记录和做进一步地分析。但很多情况下受限于容器或管道的不透明性，例如研究某一铁制管道里的多相流动，便不能直接观察到其内部的流动特征。有两类技术研究这种情况下的多相流流动：一种是侵入式的，利用探针对管内的流动参数进行测量；另一种是非侵入式的，利用磁场，电场等对多相流动进行测量。过程层析成像技术(Process Tomography, PT)属于非侵入式的探测系统，在多相流中的研究得到了广泛的应用，可以显示过程参数的二维或者三维分布状况。多相流的主要参数有流型，流量，流速，密度与分相含率。利用层析成像可以检测到多相流体的某个截面的实时图像，可以直接对流型进行辨识；与流

7、速测量技术相结合，可求得多相流体的流量，流速；通过对所得图像进一步处理和分析，能够得到各相组分的局部浓度分布；利用伪3-D图像重构技术，可以观察到气泡的变化情况。层析成像技术包含了光学成像(OT)、电磁层析成像(EMT)、电荷感应成像、电阻层析成像(ERT)、超声层析成像(UT)和射线层析成像(CT)等。其中，X射线计算机层析成像（X-ray Computed Tomography, XCT）是较为常用的一种层析成像方式，本文将简要地介绍X射线计算机层析成像系统及其在多相流中的应用情况。1 X射线计算机层析成像系统的组成和特点011.1 X射线计算机层析成像系统的组成X射线层析成像系统通常由射

8、线源，检测器阵列，数据采集系统，扫描机械系统，计算机处理系统五大部分组成2。图1 CT系统组成示意图Figure 1 CT system schematic diagram工业CT最常用的射线源是X射线机和直线加速器，统称电子辐射发生器。同位素辐射源与同步辐射源有时也用到，但主要还是一些专门应用的场合。工业CT所用的探测器按照物理结构形态大致可以分为两种主要的类型：分立探测器和面探测器。分立探测器是比较传统的线状排列的探测器阵列。面探测器的各控测单元的射线转换部分不独立，多数情况下是一块“连续的”闪烁屏。数据采集系统主要指的是从辐射探测器输出直到计算机读入之间的电子电路。数据采集系统包括了探测

9、器输出信号的放大、信号的AD变换和数字信号的输出 。探测器的AD变换电路通常都会进行分组。从系统设计的理念上说，应当使数据采集系统对CT系统的最后性能指标没有影响。工业CT的扫描机械系统并不是单纯的载物工作台，而是为了实现工件和射线源-控测器系统之间的相对运动，在不同方位测量投影数据而专门设计的一种数控扫描工作台。计算机系统要完成的基本工作是采集数据过程的扫描控制、CT图像的重建和CT图像的观测、分析和管理。由此决定的了计算机硬件和软件的结构与组成。通常把完成CT图像重建的计算机称为主计算机。计算机软件是CT的核心技术，对CT的性能有重大影响。1.2 X射线计算机层析成像系统的原理X射线是一种

10、波长范围在0.0110之间、能量极大的电磁波，具有波粒二象性。可见光波长较长，光子的能量很小，照射在物体上时一部分被反射，大部分被物质吸收，无法透过物体；但X射线的波长短，能量大，照在物质上时，仅一部分被物质吸收，大部分从原子间隙透过，表现出很强的穿透能力。假设入射X射线是横断面足够小的单能光子束。在均匀材料x处选取薄层dx，若入射x射线强度为I(x)，出射的x射线强度为I+dI，如图2所示。当dx层厚极薄时，一般地有如下关系： 图2 射线在物质中的衰减Figure 2 Radiation attenuation in the material前面对材料作了均匀假定，也就是假定了式中和之间的比

11、例因子是不随变化的常数。式(1.1)中的负号表示X射线穿透材料以后强度是衰弱的。经过简单的定积分运算，可得到入射和出射的X射线强度的关系。 式(1.2)中，为入射X射线强度，I为出射X射线强度；为厚度；被称为材料衰减系数。式(1.2)中说明在均匀材料中窄束单能X射线光子是按照简单的指数规律衰减的。层析成像系统的基本原理3是：X射线源和检测器阵列分别在被测物体的两侧，X射线管每发射一次，检测器阵列就能检测到穿过物体后的射线强度，称为投影数据或投影函数。在整个数据采集的过程中，X射线管和检测器同步将绕着被测物体旋转一圈。当射线束对整个平面完成一次扫描后，全部投影数据将被送入计算机进行图像重建，由此

12、获得被测物体的断面图像。若要获得被测物体的三维图像，便需对多个截面进行扫描。图3 断层层析成像原理图Figure 3 Schematic of Radiographic ImagingX射线透过物体时会有一定的衰减，记衰减系数为。对一个值不均匀的物体来说，可假设不同的位置有不同的值，现以一个只含4个像素的平面来说明图像重建的过程。图4矩阵反变换方法的简化例子 Figure 4 Simplified example of matrix inversion method每个像素对应不同的值，在水平方向上可建立以下两个方程： 式(1.3)中，为入射X射线的强度；和为透射出来的X射线的强度；为一个像素

13、的宽度。同理，还可以将在竖直方向与对角线方向上列出类似的方程，只需将其中的4个独立的方程联立求解，便可得值的分布。如果被测的点足够多，采用平行束反投影重建算法或者扇形束反投影重建算法，就能根据这个分布来显示出被测物体的结构。以上X射线层析成像原理都是基于物体是静止的，由于多相流流动是不断进行的，需要解决如何在不同时刻获得同一运动物体的投影数据。目前的解决办法是在极短的时间内获得成百上千的投影数据，因此，X射线层析成像得到的是多相流在一个极短时间内的时均图像。2 X射线计算机层析成像算法由于多相流动有时流动的速度比较快，需要在较短的时间内拍摄大量的图片，并由这些图片去重构所需要的图像，才能获得满

14、足精度的图片。如何在最短的时间内获得更精确的图像，提高多相流的实验精度，对图像的重建算法提出了更高的要求。算法的选择需要综合考虑系统噪声、计算时间、测量数据数、先验知识等因素4。由投影数据重建图像的算法有很多种，可分为两大类5，一种是变换重建的算法（解析法），另一种是级数展开重建法，通过对初始假定图像进行数学迭代运算重建二维图像。常见的重建算法有：反投影重建算法，滤波反投影重建算法；直接傅立叶变换重建算法；迭代重建算法。变换法的优点是速度快，实现简单，对精度足够高的投影数据可以获得比较高的重建质量。国内外的研究人员的工作集中在平等束反投影和扇束等角射线反投影方面6。级数展开法能和特定的成像设备

15、及数据采集物理的特性相结合，并且可以利用某些先验信息（平滑、滤波函数等）。这种方法适合于数据采集过程具有高度统计特性及某些不能获得完整数据集的场合。主要包括了以迭代求解方程组为基础的代数方法和以统计学模型求解为基础的统计方法。变换法和级数展开各有不同特点，将两者综合起来，以达到优势互补。基本原理是把重建的对象的先验知识运用在图像的重建过程中，用来弥补有限数据的不足，基本的方法是图像迭代重建。虽然重建算法不一样，但是其本质都是求解多元方程组的解，未知因素是所求断层的每个像素的值，其组成的集合构成一幅断层的图像。已知因素就是方程组的形式和每个方程的输出。因此在这个层面上可将所有的重建算法统一成两个

16、主要的过程：投影以及反投影，所不同的就在于和反投影的计算和利用方式不一样，则各种投影方法表现出不同的特点和适用范围。3 国内外的应用情况X射线计算机层析成像是发展最早的流动层析成像技术之一，现在广泛应用于研究气液两相流的流型、空隙率以及气固两相颗粒运动等。01233.1 国外研究情况1972年英国人Hounsfield1成功研制了第一台X射线计算机断层扫描成像装置，很快就被应用于医学临床的诊断。受到这种“透射成像”的启发，从事无损探测和过程参数检测技术研究的科研人员便发现了计算机断层扫描成像技术在二维三维分布检测上的潜力。此后，科研人员便开始致力于将这项技术应用于多相流的检测研究中去。1990

17、年时，Lutra7等人第一次将医用的计算机辅助断层成像系统（computer-assisted tomography , CAT)应用在多相流的成像系统中，观察了30.5cm高的喷淋床里的玻璃颗粒在水中的运动情况。此时的实验所得的图像还比较粗糙，无法得到更多的实验数据，只能简单地观察内部的颗粒运动情况，图像也较为不清晰。经过多年的发展，X射线流动层析成像技术已经日趋成熟，科研人员人也通过这项技术得到了更多的研究成果。Alan Kastengren和Christopher F. Powell8利用同步辐射X射线源研究多相流成像。同步辐射X射线源可以提供普通实验室的X射线源所不能提供的高能量，可调

18、谐，单色性的X射线，可以提供高时间和高空间的分辨率，使得多相流的研究更加方便。Jean Saayman9等用X射线计算机层析成像观测了内径为14cm圆柱内的Geldart B型沙颗粒的流型，分析其截面颗粒浓度，时均颗粒浓度随着速度以及轴向高度的减小而减小，但湍流流型时时均颗粒浓度保持不变。当气泡呈圆柱形状时，气泡的速度快，整个系统呈现弹状流。Snehlata Shakya10等人研究了鼓泡塔反应器中的空气、水、聚氯乙烯三相流系统，通过X射线层析成像技术研究鼓泡塔截面的空隙率：根据坎普尔第一定理(Kanpur Theorem)选取比较好的投影数据用来进行后期的图像重建，根据坎普尔第二定理来重建鼓

19、泡塔的某个横截面的空隙率。分析了不同空气速度下的动态误差。Vikrant Verma11等人利用超快电子束X射线层析成像对三维流化床中气泡的运动行为进行了研究，并利用双流体模型(two-fluid model, TFM)进行数值模拟，将实验所得数据与数值模拟进行了比较。分析了床料，进气速度，气泡上升速度，气泡大小分布等对流化床的影响。实验中采用在环状金属靶上通25mA的电流来产生X射线，成像速度达到了1000fps，分辨率可达1mm，图片大小为128×128像素。实验中总共记录了流化床20s的运动，所得到的20000张图片利用计算机进行伪3-D重构，得到的气泡运动图像如图5所示 图5

20、 最小流化速度时气泡的伪3-D图像重构Figure 5 . Quasi 3-D bubble shape reconstructed from tomographic images at 3.0 Umf for LLDPE particles at a height of (a) 39 mm, (b) 50 mm, (c) 89 mm, and (d) 100 mm.Jeremy L. Hubers12等人利用X射线计算机层析成像技术对半间歇式的鼓泡塔在气水两相流和气、液、固三相流进行了研究。研究表明，当固相（纤维）的质量分数在0.1时，气含率比只有气、水两相流的系统要低得多。由以上可见X射线

21、计算机层析成像技术在研究多相流的截面相含率，流型，流速等方面发挥了重要作用。由于其成像速度较快，分辨率也较好，近年来得到了较快的发展。01233.13.2 国内研究情况国内对X射线计算机层析成像系统应用于多相的研究起步比较晚，对其研究的主要方向是后期图像重建算法的改进。黄海军13等用同步辐射X射线成像成功观测到了金属熔体中的空化气泡，辐射表面附近存在一个气泡多且空化强烈的区域。测量到的气泡最大半径分布规律近似遵循被去掉前端的高斯分布。天津大学的张志强14等人在测量气液两相流时用了X射线层析成像技术以及新型的网丝传感器，两者的成像速度都达到了2500fps。通过后期的图像重建，实验比较了6种不同

22、流速下1s时间内通过z=900mm（X射线成像的截面），z=908mm（网丝传感器成像的截面）处截面气泡的形状，如图6所示，得到了两相流动的流型。由图中可以看出两种成像技术所得到的图像几乎一致，说明了X射线层析成像的精度高。图6 XCT和网丝传感器成像（6种不同流动情况下轴向空隙率的分布）Figure 6 Comparison of axial gas fraction distributions between X-ray CT and wire-mesh sensor in six flow cases.我国学者对X射线层析成像技术在多相流的应用提出了很多新的图像重构算法。如清华大学的吴昌

23、宁15等人提出了和传统X射线层析成像技术不同的新方法，根据多相流离散特征，基于围绕被测流场有限角度的X射线投影数据，建立了改进的遗传算法（GA）求解不完整投影数据的二维图像的重构问题。由图7我们可以看出改进的遗传算法效果更好，即使在更少的投影数据下，也能得到较好的重建图像。图7 不同角度下GA算法和传统FBP算法的比较Figure 7 Comparison of reconstruction results under different number of view angles using GA-XCT/FBP method in the simulations.4 总结本文给出了X射线计

24、算机层析成像技术的基本原理及其在多相流研究中的应用。X射线层析扫描技术在多相流测量中发挥了巨大的作用，让研究人员得以直接观察到流动的截面情况。过程层析成像技术可以获得不透明管道中的二维截面或三维体积信息，因此在非侵入测量以及恶劣工况中有很高的应用价值16。但该技术也存在着一些不足，比如系统的成本高，建设一套完备的X射线层析成像系统通常需要耗费大量的资金，限制了对其进行大量的研究；第二个是X射线基于核辐射成像，对人体有害，且为了提高数据的采集速度和实时性必须加大辐射线的剂量和强度，这对系统的安全性相当不利，研究人员做实验时需要非常谨慎；第三个是整个操作系统比较复杂，需要有一定的技术基础才能够进行

25、操作。X射线计算机层析成像技术的发展推动了多相流的研究。但由于该系统成本较高，空间分辨率和时间分辨率有限，要获得高速流动下的可视化图像，仍需对X射线计算机层析成像技术进行进一步的改进。由于X射线计算机层析成像技术的可视化、非侵入等特点，其成像对流场没有影响，使得该技术成为目前多相流参数检测技术研究和发展的前沿和趋势之一。参考文献 (References) 1HEINDEL T J. A Review of X-Ray Flow Visualization With Applications to Multiphase FlowsJ. Journal of Fluids Engineering,

26、 2011,133(7):74001. 2张朝宗, 张朋, 郭志平, 等. 工业CT技术和原理M. 北京: 科学出版社, 2009.ZHANG Chaozong, ZHANG Peng, GUO Zhiping, et al. Industrial computed tomography (CT) technology and principleM.Beijing: Science Press, 2009. (in Chinese) 3HEINDEL T J, GRAY J N, JENSEN T C. An X-ray system for visualizing fluid flowsJ.

27、 Flow Measurement and Instrumentation, 2008,19(2):67-78. 4薛倩. 多相流CT系统成像算法研究及软件设计D. 天津大学检测技术与自动化装置, 2010.XUE Qian. Design of CT imaging algorithms and software system in multiphase flowD. Tianjin University Detection Technology and Automation Devices, 2010. (in Chinese) 5王琦. 多相流CT系统成像算法研究D. 天津大学, 200

28、9.WANG Qi. Research of CT imaging algorithm of multiphase flowD. Tianjin University, 2009. (in Chinese) 6刘晓平. 扇束卷积反投影法的程序优化J. CT理论与应用研究, 1996(01):35-37.LIU Xiaoping. Optimization of fan beam convolution back projection programJ. Computed Tomography(CT) Theory and Application Research, 1996(01):35-37

29、. 7LUTRAN P G, NG K M, DELIKAT E P. Liquid distribution in trickle-beds. An experimental study using computer-assisted tomographyJ. Industrial & Engineering Chemistry Research, 1991,30(6):1270-1280. 8KASTENGREN A, POWELL C F. Synchrotron X-ray techniques for fluid dynamicsJ. Experiments in Fluid

30、s, 2014,55(3). 9SAAYMAN J, NICOL W, Van OMMEN J R, et al. Fast X-ray tomography for the quantification of the bubbling-, turbulent- and fast fluidization-flow regimes and void structuresJ. Chemical Engineering Journal, 2013,234:437-447.10SHAKYA S, MUNSHI P, BEHLING M, et al. Analysis of dynamic bias error in X-ray tomographic reconstructions of a three-phase flow systemJ. International Journal of Multiphase Flow, 2014,58:57-71.11VERMA V, PADDING J T, DEEN N G, et