基于光纤式高速摄影技术测量稠密颗粒相特性参数的方法研究

摘要

多相流普遍存在于能源、化工和制药等工业生产过程中，如煤粉在流化床锅炉内的燃烧、石油的催化裂化、物料的流态化干燥以及药片的包衣和造粒等。多相流动过程制约着生产和工艺流程的质量与安全，而颗粒相特性参数是研究多相流动机理的关键。尽管目前已发展了多种颗粒相特性参数测量手段，如PIV技术和LDV技术等，但这些技术大多适用于稀相流，针对稠密多相流测量技术的研究还比较欠缺，特别是对于稠密相流场内部，至今仍缺乏有效的测量手段同时测得颗粒的速度、数密度和浓度等特性参数的空间分布规律。
　　本文基于光纤技术、高速摄影技术和图像处理技术，研制了一种光纤式高速摄影测量系统，它以光纤内窥镜、高速CCD、金属卤素灯和大内存计算机为核心组件，光纤内窥镜能够介入稠密相流场内部，配合高速CCD拍摄被金属卤素灯照亮区域中颗粒群的运动视频。通过引入计算机，本系统实现了多相流场中运动颗粒视频图像的实时自动采集和离线自动处理，提取出颗粒群的速度、数密度和浓度，并加以保存。
　　本文重点研究了颗粒图像的处理算法。首先分析了光纤内窥镜图像产生畸变的原因，提出了对畸变图像进行校正的算法。然后分析了摄像机的成像模型，研究了本系统中摄影装置的标定方法，建立了像素尺寸到实际尺寸的映射函数。另外，针对光纤内窥镜图像整体对比度低、亮度不均匀且局部细节不突出的特点，文中对图像增强算法进行了对比研究，发现同态滤波算法能取得较好的效果。本文在PIV技术中互相关算法思想的指导下，以颗粒的像素面积和圆形度作为联合识别特征，实现了颗粒在连续两帧图像间的准确跟踪，并显著缩短了运算时间。本文改进了普通摄像法中以连续两帧图像计算颗粒速度的算法，通过连续三帧图像来提取颗粒速度，消除了随机误差，提高了测量精度。
　　最后，本文在三维圆柱形喷动床试验台上，对本文设计的光纤式高速摄影测量系统进行了测试，测量了喷动床内小米颗粒的速度、数密度和浓度沿床体径向和轴向的空间分布规律，并对测量结果进行了统计分析。试验表明，本系统实现了稠密气固两相流中颗粒相速度、数密度和浓度分布规律的同时测量，具有较好的应用前景和研究价值。