一种速度粒度实时同场测量技术的研究

摘要

在柴油机中，喷油器的喷雾特性对发动机的燃烧过程有着重要的影响，喷雾雾滴颗粒直径直接影响混合气的形成质量，因此对喷雾场中雾滴颗粒直径分布的测量显得尤为重要。研究人员通常希望在测量雾滴尺寸的时候，同时获得雾滴的速度特性，这对于研究燃油的微观雾化机理具有重要的意义。基于双目视觉和灰度差分法，本文开发了一套能够直接实现对流场的速度、粒度同场实时测量的系统——粒子图像速度粒度场仪PIVS（Particle Image Velocimertry & Sizer），并对该系统进行了实验验证。本文主要开展了以下几个方面的工作： 1. 根据Mie散射理论，在基于不同激光光强的灰度差分法粒子粒径测量的基础上，提出了基于双目视觉的灰度差分法，建立了该方法的测量模型，推导了粒子图像的灰度与粒径的关系。该方法利用两台数字相机从不同的拍摄角度对粒子进行拍摄，根据不同的散射角度条件下激光散射强度的不同，获得具有灰度差异的粒子图像，以此进行粒子粒径的测量。最后利用水槽实验对该方法进行了检验，验证了本方法的有效性和可行性。 2. 提出了基于双目视觉的自相关速度测量方法。在利用自相关进行速度测量时，最大的一个问题就是速度方向存在“二义性”。本文提出了一种利用双相机来解决自相关速度方向的二义性的算法，该算法利用两台数字相机对同一流场区域进行拍摄，进行自相关拍摄的相机曝光两次；另一台数字相机曝光一次，通过粒子像配对来区分自相关图像中不同时刻的粒子像，以此根据拍摄时序进行速度方向的判断。根据该算法编写了对应的处理程序，通过对模拟数据进行的对比验证和对实验数据进行的测量验证对本方法进行了检验。 3. 提出了基于双目视觉的粒子像的配对方法。在利用灰度差分法进行粒子粒径计算时，同一个粒子在不同的相机中所成的像点的配对过程是该方法的核心问题。本文使用两台数字相机进行拍摄，一台数字相机90度布置，进行“正拍”，“正拍”图像曝光两次形成自相关图像；另一台数字相机60度布置，进行“斜拍”，“斜拍”图像曝光一次。由于曝光次数和拍摄角度都不一样，给粒子像点的配对增加了难度。在这种情况下，本文提出了新的粒子像点配对方法，并对这些方法进行了粒子像配对检验。 4. 开发了PIVS系统相应的软硬件。PIVS系统包括硬件（拍摄与成像系统）和软件（处理与控制系统）两个部分。硬件方面搭建了适用与本系统的双相机拍摄系统，并成功通过拍摄系统拍摄到了满足PIVS系统需要的图像；软件方面基于C++的数字图像处理技术和数据库技术开发了图像处理与控制系统，并通过该系统完成了图像的采集、存储、处理和控制过程，获得了流场的速度矢量信息和粒子粒径分布信息。 5. 对本文开发的PIVS软硬件系统进行了实验验证。文章从三个方面对系统进行了检验，分别检验了系统在单独进行速度测量、粒径计算以及在进行速度和粒度的同场测量时的可行性和可靠性，最终考察了PIVS系统的测量的有效性。