气液两相流动粒子成像测速技术_PIV_研究进展

1、气液两相流动粒子成像测速技术(PIV 研究进展3许联锋, 陈刚, 李建中, 金上海(西安理工大学水力学研究所, 西安710048 摘要:粒子图像测速技术(PI V 作为一种全新的无扰、瞬态、全场速度测量方法, 已被广泛应用于液体或气体的单相流流速场测定。对于两相流PI V 技术, 目前还处于起步与发展阶段。本文对近年来两相PI V 技术的发展及取得的成就进行了回顾, 简要地分析了PI V 技术在两相流测量中的潜在优势及存在的困难, 着重对目前两相流PI V 技术中的关键技术-相分离方法进行了较为详尽的总结与评述, 并对PI V 技术在分散相颗粒尺寸及浓度测量方面的应用进行了讨论。关键词:多相流

2、体力学; 两相流;PI V ; 相分离方法; 粒径分析; 浓度测量中图分类号:T V13113+4文献标识码:AR esearch advances of particle im age velocimetry forgas 2liquid tw o 2phase flowX U Lian feng ,CHE N G ang ,LI Jianzhong ,J I N Shanghai(Institute o f hydraulics , Xi an Univer sity , Abstract :As a new method for non 2intrusive velocity measu

3、rement ,particle image velocimetry (PI V is widely used in as well as in gas flow , but the tw o 2phase PI V measurement technique is in In recent years ,many researchers have made great efforts in this field and get s ,superiority ,difficulty of PI V used in tw o 2phase flow measurement and the rec

4、ent of separation methods a key technique in tw o 2phase PI V measurement are presented in this paper. The particle size and concentration measurement methods are als o discussed in this paper.K ey w ords :multiphase fluid mechanics ; tw o 2phase flows ; PI V ; phase separation ; size analysis ; con

5、centration measurement收稿日期:2004203223基金项目:国家自然科学基金项目(50079020 ; 陕西省教育厅科研计划项目(00J K 190作者简介:许联锋,1971年出生, 男, 讲师, 博士1引言气液两相流作为两相流中的一种, 广泛应用于水利、动力、化工、核能、石油、冶金等领域。早在1907年, 气液两相流就被用来减少波浪对建筑物的破坏作用; 在河口用气泡幕防止盐水的侵袭; 控制水库和湖泊中的分层结构以及改善水质; 加速反应装置中的物质混合、热量交换、以及化学反应过程; 在水利工程中, 通过向水流中掺气就可以避免建筑物受到空蚀破坏。这些系统的性能如何, 在很

6、大程度上取决于气泡运动以及气泡与液相之间的相互作用。然而, 由于气液两相流动的复杂性, 很多年来, 气泡流动系统的设计主要基于经验或经验数据进行的, 目前还没有关于两相气泡流动中相间相互作用的精确的完整描述。因此, 必须开发能够获得两相流动的定性和定量数据的测量技术, 为理论模型的建立及数值模拟技术的检验提供详细的实验数据资料。在过去的二十年里, 为了更好的了解这类流动的物理机理及动力学特性, 测量技术也取得了很多进展。最常见的测量技术如激光多普勒风速仪(LDA 和相位多普勒风速仪(PDA , 都是单点测速技术, 它们可以提供两相流中单点的信息以及时间平均意义上的流动结构, 但这些技术均不能同

7、时提供每一相的瞬时的、全场的流速数据, 很难将测得的数据和控制相间动力学特性的物理机理联系起来。因此要对多相流动有好的理解, 研究相间微尺 度空域信息及其结构非常必要。上世纪八十年代发展起来的粒子图像测速技术(Particle Image Velocimetry , 简称第23卷第6期2004年12月水力发电学报JOURNA L OF HY DROE LECTRIC E NGI NEERI NG V ol. 23N o. 6Dec. , 2004PI V 是在流动显示的基础上, 充分吸收现代计算机技术, 光学技术以及图像分析技术的研究成果而成长起来的最新流动测试手段, 它是一种瞬态、全场量测技

8、术, 这使得其能够检测流动的空间结构并直接揭示出相间的耦合作用, 为多相流动研究开辟了新的途径。但由于离散相的存在, 两相流PI V 技术比单相流PI V 技术困难得多, 近年来, 国内外许多学者在这方面进行了不懈的努力, 并取得了一些进展, 但并未得到及时的报道。因此, 回顾PI V 技术在气液两相流中的应用研究具有一定的意义。2PIV 测试技术的原理与优点PI V 技术的基本原理1就是在流场中撒入示踪粒子, 以粒子速度代表其所在流场内相应位置处流体的运动速度。应用强光(片形光束 照射流场中的一个测试平面, 用成像的方法记录下两次或多次曝光的粒子位置, 用图像分析技术得到各点粒子的位移, 由

9、此位移和曝光的时间间隔便可得到流场中各点的流速矢量, 并计算出其他运动参量(包括流场速度矢量图、速度分量图、流线图、旋度图等 。PI V 技术不仅能显示流场流动的物理形态, 而且能够提供瞬时全场流动的定量信息, 使流动可视化研究产生从定性到定量的飞跃。PI V 的突出优点表现在:1 它突破了空间单点测量(如LDV 的局限性, 实现了全流场瞬态测量;2 它实现了无扰测量, 而用毕托管或HWFV 等仪器测量时对流场都有一定的干扰;3 容易求得流场的其他物理量, 由于得到的是全场的速度信息, 可方便的运用流体运动方程求解诸如压力场、涡量场等物理信息。因此, 该技术在流体测量中占有重要的地位。目前单相

10、二维PI V 技术已接近成熟, 并广泛应用于湍流等复杂流动的测量中。3气液两相流PIV 测试技术及其难点两相流的粒子图像测速技术是单相PI V 的示踪粒子, 用脉冲激光片光源照射所测流场区域, 的位置, PI V 图像中还包含了离散相颗粒(气泡 的丰富信息, 不仅能给出速度, 为研究两相流动特性尤其是不定常流动提供了新的有力工具。由于离散相颗粒( , 两相数字图像处理技术比单相困难得多, 其不仅要分辨出代表同一相的颗粒, 而且要将代表不同相的颗粒区分开来。两相颗粒之间会发生碰撞, 遮挡甚至翻转。代表两相流动的颗粒如果光学性能不同, 会给在同一底片上成像带来很大困难。由于代表两相的颗粒密度不同,

11、 水平取像时, 重的相的粒子易跑出片光的照射区域, 从而很容易造成找不到示踪粒子的相关点。颗粒的粒径与浓度要用特殊的方法进行处理, 用一般的片光取不到相位信息, 故两相测量的图像数字处理技术尚处于起步与发展阶段。目前只有少数学者开始在气-液、液-固等低速简单流动中进行可行性研究(王希麟等,1998 2。两相PI V 技术的一个挑战性问题是如何将悬浮相和示踪相的粒子图像区别开来3。因为在实验中, 两相的信息是同时存在于同一幅图像中的, 如果对两相流PI V 图像不进行任何处理就采用传统的PI V 算法进行计算, 在离散相粒子的周围会发现伪矢量的存在。这是因为, 事实上离散相与携载流体(连续相 间

12、的运动有显著的差别。此时获得的速度将受到分别来自两相的信号的影响, 也就是说, 它是不同相速度在某种意义上的平均4。也有人认为, 当诊断窗口内含有一个或几个大粒子时, 测得的流速为大粒子的流速而非连续相的流速, 这是因为大粒子的衍射强度要比小粒子的衍射强度大很多(Jakobsen ,1996 5。为了应用PI V 研究多相流动, 就必须改进单相PI V技术以消除相间的相互影响。各种两相PI V 算法的主要差别之一就在于对图像上分散相与连续相示踪粒子进行分离时所采用的方法不同。4气液两相流PIV 测试技术中的相分离方法通过调查现有文献, 可以发现当PI V 被用于同时测量两相时, 有如下六种不同

13、的基本技术可以实现相分离:11荧光标记法(Fluorescence tagging 。荧光标记法被广泛应用于气泡流动中, 使用这种方法时, 连续相(液相 的运动由荧光粒子来标记, 荧光粒子的特点是当这些粒子被激光照射时, 它可以发射出不同于原激光颜色的光(即光的波长发生了变化 , 而气泡散射的光的颜色与原激光颜色相同, 因此可以通过区分不同颜色的方法来进行两相的分离。各相分离后, 采用单相PI V 技术即可获得每一相的流速场。具体实施时, 这种技术或者要求采用彩色照相机记录图像, 然后通过图像处理的方法区分不同颜色的信号; 或者使用两架黑白照相机, 通过在两架相机401水力发电学报2004年前

14、加装不同带宽的光学滤镜, 就可以分别记录下荧光粒子(液相 及气泡的图像。这种方法实际上是采用硬件设备来实施相分离的, 因此它也许是最为成熟的一种相分离技术。国际上著名的PI V 设备生产商丹麦的Dantec 公司及美国的TSI 公司在测量气泡流动时都采用了这一技术。但显然这种技术的缺点就是其成本太高, 这是因为除了需要荧光粒子以及一个高能量的激光来产生足够亮度的荧光图像外, 这种技术还需要采用两台黑白相机(由同步器连接 或者一台彩色相机, 而不是PI V 技术中通常所使用的一台黑白相机。关于标记法的应用, 可参见T okuhiro (1998 6, 等的文章。21亮度分辨法。这种方法基于连续相

15、示踪粒子与离散相气泡(颗粒 的成像灰度级之间的差异来进行相分离的。为了防止相间的严重干扰, 这种技术要求连续相示踪粒子的最大散射横断面要和离散相粒子的散射横断面相差一个数量级。即使正确的选择了示踪粒子, 这种方法也要求仔细的调整和耐心的优化成像, 来消除相间的干扰, 使不同相粒子间的灰度差别尽可能的大。各相分离后, 采用单相PI V 技术即可获得每一相的流速场。使用这种方法的文献可参见Ess on (1996 等7的文章。31粒径分辨法。基于连续相示踪粒子与离散相粒子的颗粒大小之间的差异来进行相分离的。这种方法首先要对原始PI V 图像进行二值化处理, 使离散相颗粒及示踪粒子成为白色的亮点(区

16、域 而从背景中分离出来, 通过计算这些亮点的粒径(或面积 , 然后选取一适当的阈值就可将代表不同相的粒子区分开来。因此这种方法要求代表不同相的粒子粒径间的差别要尽可能的大, 这样才能尽可能减少误判断点, 阈值的选择也相对容易些。各相分离后, 采用单相PI V 技术即可获得每一相的流速场。清华大学王希麟教授2利用这种方法获得了直槽道中液固两相流场二维瞬时全场两相流速分布。与上述方法略微不同的是G ui 和Merzkirch (1996 8以及Merzkirch 和G ui (1997 4使用数字掩盖技术(digitalmask technique 来消除相间相互影响对相关计算的影响属关系, 并以

17、掩盖函数(i , j 进行标识,(i , j =0当像素(i ( 1(i j (连续相 将掩盖技术与最小方差相关法(M , PI V 图像进行分离, 就可以计算各相的速度。相对于常规方法, 其精度较高。从他们文章中的图像来看, , 此时气泡在图像中呈现为一个大的实心白色亮点。当光源强度较低时, (呈现为两个小的亮点,Oakley 等3 , 此时要基于粒子尺寸来区分示踪粒子和气泡将变得相当困难。41中值滤波法。K iger (2000 9采用一种二维中值滤波的方法把大的分散相颗粒图像从输运相示踪粒子图像中分离出来。中值滤波是一种非线性信号处理技术, 在消除随机噪声方面有很好的效果。对于两相PI

18、V 图像而言, 既包含有小的连续相示踪粒子又有大的离散相颗粒(或气泡 , K iger 认为其中小的示踪粒子可以被看作是散布于均匀背景上的噪声, 通过二维中值滤波, 可将其滤掉, 滤波后的图像即为离散相图像。原始图像减去滤波后的图像即可获得仅含示踪粒子(代表连续相 的图像。然后应用单相PI V 技术即可获得每一相的流速场。中值滤波技术中滤波器的宽度是一个敏感的参数, 选择是否恰当决定着相分离的恰当与否。这是因为, 根据中值滤波的性质, 当噪声延续距离小于窗口的一半时才可以获得好的噪声抑制效果。K iger 的实验表明, 滤波对连续相的位移计算的影响可忽略不记。对示踪粒子进行运动估值时, 滤波窗

19、口宽度f d t 2时时效果最优(d t 为示踪粒子粒径 。对离散相进行运动估值时, 当离散相粒子直径大于示踪粒子直径3倍时, 最优滤波窗口宽度为f d t =1 13。51双参数相分离法。K halitov 和Longmire (2002 10利用粒子的尺寸和亮度两个参数的联合信息进行相分离。具体实施时这种方法首先计算每一粒子(包括示踪粒子和离散相粒子 的亮度及尺寸, 然后分别以亮度和尺寸为纵横坐标绘制亮度-尺寸图, 根据此图确定示踪粒子和离散相粒子各自的置信区间(亮度和尺寸的范围 , 利用此置信区间就可将所有粒子分离成示踪粒子与离散相颗粒两类。分离后获得的示踪粒子图像和离散相颗粒图像即可用

20、来求解每一相的速度。这种算法当球形粒子的尺寸范围已知时, 它可以对气固两相流动的速度场获得很好的结果。但在水气两相流中, 气泡在成像时并非是一个实体, 可以预期这种方法对气泡流动不一定非常有效。61系综相关法(Ensemble correlation PI V 。前面介绍的各种两相PI V 处理技术的基本思想是首先通过某一种算法将一幅同时包含示踪粒子(代表连续相 和分散相颗粒(气泡 的原始两相PI V 图像分解为仅含有某一相粒子的两幅单相PI V 图像, 然后应用单相PI V 算法分别处理这些各相的图像, 就可以获得每一相的速度。Delnoij501第6期许联锋等:气液两相流动粒子成像测速技术

21、(PI V 研究进展(1999 11提出的系综相关两相PI V 算法与上述思想不同, 该算法是单相PI V 技术的直接推广, 它不对示踪粒子和分散相粒子进行分离, 而直接对同时包含两相粒子的原始图像求相关, 在相关域内可得到两个分别代表气相和液相的相关峰, 通过鉴别相关空间内两个相关峰的隶属关系来实施相分离的。具体实施时, 这种技术采用气泡与周围液体之间的滑移速度差来鉴别两个相关峰的隶属关系(需要用先验知识找出一块仅含示踪粒子的判读小区域, 获得其位移, 然后将该位移与其相临近的判读小区域得出的两位移进行比较, 差别最小的即代表液体的位移, 另一个位移即为气泡的位移 。这种方法的难点在区分两个

22、相关峰的隶属关系。由于诊断窗口内气泡的个数有限, 获得的气泡位移相关峰的信噪比很低(峰值不突出 , 给检测带来不便。为提高离散相的信噪比, 需对一组序列图像(一般需16幅 求得的相关函数进行叠加(系综方法 , 这样随机的噪声相关峰不会叠加而位移相关峰却会变得更加突出, 便于检测。由于这种方法是基于离散相的大量平均运动, 无法清楚的了解粒子间的相互作用。此外, 当两相间具有显著的滑移速度时, 相关域内可以呈现出两个独立的位移相关峰, 但当两相间的滑移速度较小或两次曝光的时间间隔很小时, 这两个位移相关峰将非常接近甚至重叠, 此时将无法进行两相的分离。5PIV 测试技术用于分散相(粒子气泡 粒径与

23、浓度的测试两相流中分散相尺寸及浓度测试也是工程中非常关心的问题, 如在化学反应装置中气泡直径及浓度分布直接决定着化学反应过程中物质混合以及热量交换的效率, 水利工程中掺气浓度的分布与大小直接关系到泄水建筑物的安全运行。因此对分散相尺寸及浓度进行测量具有重要的意义。相位多普勒粒子分析仪(Phase Doppler Particle Analyzer , 简称PDPA , 而且可以给出粒子的尺寸信息, 因此在两相流测试中得到了广泛的应用。且空间数据要求遍及测试系统。而PI V 获得瞬时平面流场的速度及粒子尺寸、分布等数据, 因此它比PI V 研究中, 主要以测量流速分布为主, 。这主要是因为衍射对

24、粒子的成像有很大的影响, 。K adambi 等12对应用PI V , 指出衍射有使粒径放大的效果, 。随着粒子尺寸的增加, 衍射效果越来越不明显, 衍射粒径与物理粒径之比变得很小, 当粒径超过时, 衍射效果可以忽略。对粒子图像进行分割时, 阈值选取过大, 将会去掉粒子图像有用的亮度信息, 太小了背景噪声无法去除, 也就不能正确的分割图像以供处理。另外, 要精确估计粒子尺寸, 必须确保粒子的影像至少占据3个像素。K adambi 等还研究了激光片光中高斯强度分布变化以及相机聚焦不准对粒子尺寸测量的影响, 并设计了一个平衡光学装置来消除这些影响。国内石油大学吴飞雪、董守平等13基于统计理论及图像

25、分析技术, 巧妙地消除了衍射对粒子粒径测量的影响, 成功地给出了110m 范围内光斑直径与粒子直径的回归公式, 为解决多相流PI V 粒径测量提出了新的思路。正确测量出粒径后, 则可根据不同的定义计算出分散相的浓度。吴飞雪、董守平等14利用PI V 技术测量了旋风分离器内的颗粒浓度场, 浓度c 表示为:c =V =Sh n i =1V i =6S h n i =1d 3pi ,其中V 为所考察区域的体积大小, G 、n 分别为考察区域内的颗粒相总质量及颗粒总数, 这种表示方法实际上是质量浓度的概念。许宏庆15等利用PI V 技术测量了气固两相射流中的粒子浓度, 他们首先对图像进行二值化处理,

26、再将图像分割成相同大小的多个子图像, 统计每一个子图像中的粒子个数N i , 由子图像的面积乘以照相镜头的景深, 求出每个子图像所占的体积V i , 当地的瞬时粒子浓度定义为c i =N i V i , 这实际上是一个粒子数密度的概念。基于传统的电信号浓度测量方法(如电导探针法 实际上计算的是数据采样期间的时间平均意义上的浓度, 类似于这种方法, 本文作者把图像测量法中的浓度定义为16:(x , y =N b (x , y t N t = N b (x , y N其中(x , y 表示点(x , y 处的浓度,t 为连续两帧图像间的曝光时间间隔, N 为统计计算时的采样图像序列的总帧数, N

27、b (x , y 为点(x , y 处有粒子(或气泡 存在的图像帧数, 这种方法的优点是其计算结果便于与传统测量方法进行比较。这种统计方法中采样图像的总帧数N 必须足够大, 以确保测量的精确度。601水力发电学报2004年6总结本文简要介绍了PI V 技术的基本原理及其在气液两相流研究中的优势和存在的困难, 着重分析了目前气液两相PI V 技术中关键问题相分离技术及颗粒(气泡 粒径测量技术的研究现状, 比较了各处相分离方法的优缺点, 为两相PI V 测试人员在选择相分离方法和开发新的相分离技术方面提供了借鉴。参考文献:1Adrian R J. Particle 2imaging techniq

28、ues for experimental fluid mechanics J.Annual Review of Fluid Mechanics ,1991,Vol. 23:261304.2王希麟, 张大力, 常辙, 何崧. 两相流场粒子成像测速技术(PT V 2PI V 初探J.力学学报,1998,30(1 :121125.3Oakley T R ,Loth E , Adrian R J. A T w o 2Phase Cinematic PI V Method for Bubbly Flows J.Journal of FluidsEngineering ,1997, (119 :70771

29、2.4W olfgang Merzkirch ,Lichuan gui. PI V in multiphase flow A.Proceedings of the second international w orkshop onPI V972Fukui ,July 8211,Fukui ,Japan. 165172.5Jakobsen M L , Eass on W J , G reated C A , G lass D H. Particle image velocimetry :simultaneous tw o 2phase flowmeasurements ,Meas. Sci. T

30、 echnol. 1996, (7 :12701280.6T okuhiro A ,Maekawa M ,Iizuka K,Hishida K,Maeda M. Turbulent flow past a bubble an ellips oid using shadow 2image and PI V techniquesJ.International Journal of Multiphase 1406.7Ess on W J and Jakobsen M L. Slippage measurements in tw o VelocimetryA.Instituteof Physics Optical G roup Half Day C on ference Optics C ombustion (London ,February 1996.8G ui Li ,and Merzkirch W. Phase 2PI V o 2phase flow by applying a digital mask techn