基于图像法的平底喷动床内气固两相流体动力学研究

摘要

空隙率是气固两相流系统中的重要参数之一，了解流化床内空隙率的分布特性，对揭示两相流流型转变与流速测量机理具有重要作用。本文利用图像二值化方法来处理实验获得的图像，并且采用 matlab编程实现空隙率的测量，从微观的角度分析空隙率对喷动流化床内颗粒流动特性的影响。重点研究了表观气速、喷口数量和颗粒直径对空隙率分布的影响，结果表明，增大表观气速会促使床层底部的稀相区变大，床层的膨胀高度增加，空隙率也会随之增大。增大颗粒粒径会增大最小临界流化速度，所以在小粒径颗粒达到流化状态后，相同风速下流化床内颗粒粒径增大，床内喷动区空隙率减小比较明显且未呈现明显的流化状态。相同条件下，与单喷口相比双喷口在床层底部附近存在合并射流，同时颗粒能到达的高度也明显增加，底部两侧停滞区面积减小。此外，本文结合对空隙率的分析，提出了一种新的表征流化床内流化状态的参数——流化指数，它能比较直观地表示出床内颗粒的流化状态。 本文主要通过对气泡产生过程的分析，研究气泡相的流体动力学特性，深入了解流化床内空隙率径向和轴向不均匀性。将通过图像法得到的实验数据进行分析比较，结果表明气泡和空隙率之间存在相互影响。气泡从产生到长大再到破裂的过程中始终伴随着空隙率的变化，从气泡的角度来分析空隙率在喷动床内的分布，可以更加直观的观察空隙率在床内的分布特性。 此外，针对喷动床内两相流的流动特性，提出两种软测量方法即多元线性回归和支持向量机方法。在建模过程中考虑了各个参数对颗粒流动的影响，确定了辅助变量和数据预处理的方法。结果表明，通过对数值模拟中参数的数据预测，相较于支持向量机的方法，多元线性回归法的预测结果更为准确。

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第1章 绪论

1.1 选题背景及意义

1.2 气固两相流参数检测方法

1.3 国内外研究现状

1.3.1 喷动床内空隙率的测量及国内外研究进展

1.3.2 喷动床内气泡的研究

1.4 本文主要工作

第2章 图像法在喷动床实验中的应用

2.1 喷动流化床的实验系统

2.1.1 喷动床床体

2.1.2 喷动床相关参数

2.1.3 气源系统

2.1.4 高速摄像系统

2.1.5 照明系统

2.1.6 图像拍摄方式

2.2 实验图像处理过程

2.2.1 图像预处理

2.2.2 图像噪声分类

2.2.3 图像去噪方法

2.2.4 图像光照不均匀纠正

2.3 MATLAB在图像处理过程中的应用

2.3.1 图像的读写与显示

2.3.2 图像的二值化处理

2.3.3 MatPIV的应用

2.3.4 喷动床内粒子速度检测

2.4 本章小结

第3章 空隙率在喷动床内分布

3.1 颗粒流动序列图

3.2 空隙率处理结果验证

3.3 空隙率在喷动床内分布

3.3.1 单喷口喷动床内空隙率的分布

3.3.2 多喷口喷动床内空隙率的分布

3.3.3 单喷口和双喷口喷动床内空隙率分布

3.3.4 单喷口喷动床内不同粒径下空隙率分布

3.3.5 单喷口和多喷口喷动床内空隙率分布云图

3.4 流化指数分布

3.5 气泡在流化床内分布

3.6 本章小结

第4章 软测量在喷动床内的应用

4.1 背景介绍

4.1.1 软测量的基本概念

4.1.2 软测量技术的发展

4.1.3 影响软测量技术准确性的因素

4.2 软测量常用方法

4.2.1 多元逐步线性回归

4.2.2 支持向量机

4.3 多元逐步线性回归预测

4.3.1 颗粒平均温度预测

4.3.2 颗粒轴向速度预测

4.4 支持向量机预测

4.5 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢