气液两相流中气泡特征参数三维测量方法研究

摘要

随着科学技术的迅速发展，气液两相流在诸如动力、化工、核能、石油、冶金、环境等领域中得到了越来越广泛的应用，就其工程应用效果而言，在很大程度上取决于气泡运动形态以及分散相和连续相之间的相互作用。为了深入研究气液两相流动机理，准确地表述分散相的运动特性，并由此指导生产过程及实践，对于气液两相流气泡特征参数三维信息的获取具有重要的意义。
　　 本文在总结分析气液两相流参数检测发展、数字图像处理技术、高速摄影法在两相流参数检测中应用的基础上，针对气泡特征参数三维测量方法进行了深入研究。
　　 基于数字图像处理技术提取气泡的二维特征参数。针对气泡图像的特点，提出动态阈值压缩的大津法进行阈值分割，有效地将目标气泡从背景中分离出来，结合扫描线种子填充算法与图像形态学运算，对图像进行孔洞填充，基于边缘面积属性对气泡特征区域进行自动识别，去除干扰特征，并最终提取气泡的周长、面积、圆形度、质心坐标、等效直径等形态特征参数。最后采集不同时刻的图像，实现气泡运动速度的测量。
　　 深入研究了气液两相流中气泡特征参数三维测量的基本原理，分析总结了相机标定的不同方法，主要对基于非共面标定的Tsai两步标定方法进行了研究，并给出标定算法的基本步骤。
　　 构建了虚拟立体视觉传感器，分析其测量原理并建立成像数学模型，从实际视场的大小、传感器结构、误差大小三个方面综合考虑，来确定传感器的结构参数，并给出各个结构参数对上述三方面性能影响的仿真结果。同时，总结了根据实际视场设计虚拟立体视觉传感器的一般原则和步骤。最后，实现了视觉传感器机械结构设计，完成整套虚拟立体视觉成像系统的开发，并在实验装置上进行了实验验证，传感器测量空间距离误差优于2.67mm，相对误差优于6％，初步实现了气泡运动的三维重建。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 气液两相流参数概述

1.2 课题研究背景及意义

1.3 高速摄影法在气液两相流参数检测中的应用

1.4 课题的研究内容和创新点

1.5 本文的章节结构

第二章 基于数字图像处理的气液两相流气泡特征提取

2.1 数字图像处理技术的主要内容及发展动向

2.2 图像处理及气泡形态特征提取

2.2.1 图像预处理

2.2.2 阈值分割

2.2.3 图像填充

2.2.4 气泡特征区域自动识别

2.2.5 气泡形态特征提取

2.3 气泡运动特征提取

2.4 小结

第三章 气液两相流中气泡特征参数三维测量方法

3.1 三维测量基本原理

3.1.1 双目立体视觉基本原理

3.1.2 双目立体视觉数学模型

3.1.3 单目立体视觉传感器

3.2 摄像机标定技术

3.2.1 相机标定方法综述

3.2.2 Tsai两步法原理

3.3 小结

第四章 虚拟立体视觉传感器的研究与设计

4.1 虚拟立体视觉传感器的测量原理

4.2 传感器成像数学模型

4.3 传感器的结构设计

4.3.1 有效视场范围的计算

4.3.2 反射镜参数的计算

4.3.3 传感器测量误差的计算

4.4 参数测量对传感器性能的影响

4.4.1 结构参数对有效视场的影响

4.4.2 结构参数对反射镜尺寸的影响

4.4.3 结构参数对测量误差的影响

4.5 根据实际视场设计传感器的一般原则和步骤

4.6 机械设计

4.6.1 中间平面镜的固定装置

4.6.2 两侧平面镜固定可调装置

4.6.3 摄像机固定可调装置

4.6.4 总体设备安装底座平台

4.7 小结

第五章 实验分析

5.1 实验装置介绍

5.2 系统标定实验

5.2.1 摄像机标定

5.2.2 传感器标定

5.3 气泡特征参数测量实验

5.4 小结

第六章 总结与展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢