气流中单液滴变形、破碎过程特性测量方法及其测量装置

摘要

本发明提供了一种气流中单液滴变形、破碎过程特性测量方法及其测量装置，采用高速相机，连续拍摄液滴的变形、破碎、运动过程图像，并结合数字图像处理程序，对其进行处理，获得详细的液滴变形、破碎特性研究中的相关参数。通过数字图像处理技术将之前只有通过高速相机与全息显微照设备同时使用的实验系统才能获得的液滴破碎特性参数，简化为只需高速相机就可获得的实验系统，有效的简化了当前液滴变形、破碎特性研究的实验系统，提高了数据处理的效率。为液滴二次破碎机理研究提供了一种结构简易、便于操作新的测量装置。

说明书

技术领域

    本发明涉及液滴特性试验领域，具体是一种气流中单液滴变形、破碎过程特性测量方法及其测量装置。 

背景技术

在喷雾系统中，液滴的二次破碎在增加气液间有效接触面积与强化气液间的传热、传质方面起着及其重要的作用。对迄今为止公布的文献资料，主要通过高速相机捕获液滴的变形、破碎过程，通过全息显微照测量液滴的速度、尺寸分布，为获取详细参数信息，一般将两种设备同时使用，因此实验系统结构比较复杂、操作难度较大、测量成本较高。 

发明内容

本发明为了解决现有技术高速相机和全息显微照同时使用，实验系统结构比较复杂、操作难度较大、测量成本较高的问题，为单液滴破碎特性研究提供一种新的测量方法及其测量装置，简化了实验系统结构、降低了操作难度与测量成本。 

本发明提供的气流中单液滴变形、破碎过程特性测量方法包括以下步骤： 

1）打开压气机，调节气流流量；

2）打开加热段电源开关，将气流加热；

3）打开液滴发生器，在气流中产生的液滴；

4）打开高速相机捕获液滴变形、破碎过程图像数据；

5）将获得液滴初始时刻的实验图像导入数字图像处理程序，采用分段线性灰度变换处理技术（GST）对实验图像进行灰度化处理，并对灰度化后的图像进行像素比例标定；

6）将液滴由球形变成扁球形的实验图像按时间顺序依次导入数字图像处理程序，并对每幅图片进行垂直气流方向的液滴变形长度像素取值，对导入程序的图像进行批量处理，获得液滴的变形特性参数；

7）将液滴变形过程的图片按时间顺序依次导入到数字图像处理程序中，依次对液滴水平位移进行像素长度记录，结合两幅图片之间的时间间隔，利用公式 计算液滴瞬时速度、公式计算液滴瞬时加速度、公式计算液滴瞬时曳力系数，其中表示空气密度、A表示垂直气流方向液滴的面积、m表示液滴质量。

8）选取液滴完全破碎后的实验图像，并将其导入数字图像处理程序中，对其进行灰度处理、边缘查找处理后，获得液滴尺寸分布图，获得各液滴空间坐标位置、不同直径的液滴数目分布，利用公式获得单液滴完全破碎后索太尔平均直径，其中液滴直径为D_i，直径D_i所对应的液滴数目为N_i。 

9）在步骤7）的处理基础上，将相邻两幅实验图像中各液滴的空间位置数据进行处理，获得各尺寸液滴的瞬时速度； 

步骤8）中所述边缘查找处理的方法为Roberts边缘检测算法，利用局部差分算子寻找油粒边缘算子，其油粒边缘像素可表示为：

式中为输入图像的像素值，为输出图像的像素值，利用上式在对图像中每一像素进行处理后，再进行阈值化处理和数量统计，完成对目标的边缘提取。

本发明还提供了一种气流中单液滴变形、破碎过程特性测量方法专用的测量装置，包括冷态空气加热系统、数据采集处理系统和液滴发生器，冷态空气加热系统包括连接有气流恒温控制箱的两根平行的空气加热管道，空气加热管道一端连接有试验测量口，另一端通过空气转子流量计与空气压缩机相连；液滴发生器的液滴出口设置在实验测量口；数据采集处理系统包括相连的高速相机和计算机，其中高速相机正对实验测量口拍摄。 

进一步改进，所述的空气加热管道外部为酚醛泡沫保温材料，内部为陶瓷保温管，管内设有垂直结构的陶瓷架，陶瓷架上缠绕有镍铬电热丝。 

进一步改进，所述的实验测量口与空气加热管道之间设有网状整流装置，便于稳定气流。 

进一步改进，所述的实验测量口为石英玻璃矩形管道，垂直于空气加热管道竖直放置。 

进一步改进，所述的液滴发生器产生的液滴直径范围为0.5mm～6mm。 

    本发明有益效果在于： 

1、本发明采用高速相机，连续拍摄液滴的变形、破碎、运动过程图像，并结合数字图像处理程序，对其进行处理，获得详细的液滴变形、破碎特性研究中的相关参数。通过数字图像处理技术将之前只有通过高速相机与全息显微照设备同时使用的实验系统才能获得的液滴破碎特性参数，简化为只需高速相机就可获得的实验系统，有效的简化了当前液滴变形、破碎特性研究的实验系统，提高了数据处理的效率。

2、为液滴二次破碎机理研究提供了一种结构简易、便于操作新的测量装置。 

附图说明

图1为本发明的流程示意图。 

图2为本发明实验装置结构示意图。 

图3为空气加热管内部镍铬电热丝布置图。 

图4为高速度相机采集的液滴变形、破碎过程图像。 

图5 为软件系统灰度化、边缘提取后的灰度图像。 

图6 为液滴灰度图像比例像素标定。 

图7 为垂直气流方向液滴变形的像素长度采集。 

图8为液滴的变形特性随时间变化曲线。 

图9 为液滴水平位移像素长度采集。 

图10为液滴瞬时速度随时间变化曲线。 

图11为液滴瞬时加速度随时间变化曲线。 

图12为液滴变形各阶段的曳力系数。 

图13为不同直径的液滴数目分布表。 

图14为液滴完全破碎各尺寸液滴空间分布实验图像。 

图15 为液滴完全破碎经数字图像程序处理后各尺寸液滴空间分布。 

具体实施方式

下面结合附图及以航空煤油为测量对象的实施例对本发明做进一步说明。 

本发明提供的气流中单液滴变形、破碎过程特性测量方法是一种基于数字图像处理技术的快速非接触的单液滴破碎特性测量方法，如图1所示，包括以下步骤： 

（1）、打开压气机，调节气流流量，使气流速度为11.6m/s；

（2）、打开加热段电源开关，将气流温度加热并稳定至100℃；

（3）、打开液滴发生器，在气流中产生的液滴初始直径为2mm；

（4）、打开高速相机捕获如图4所示的液滴变形、破碎过程图像数据；

（5）、将获得液滴初始时刻的实验图像导入自编数字图像处理程序，对实验图像进行如图5所示的灰度化处理，并对灰度化后的图像进行如图6所示的像素比例标定，液滴直径2mm对应像素值为32，则真实尺寸/像素值=2/32；

（6）、将液滴由球形变成扁球形的实验图像按时间顺序依次导入数字图像处理程序，并对每幅图片进行如图7所示的垂直气流方向的液滴变形长度像素取值，对导入程序的图像进行批量处理，可以获得如图8所示液滴的变形特性随时间变化曲线；

（7）、将液滴变形过程的图片按时间顺序依次导入到数字图像处理程序中，按图9所示的方法依次对液滴水平位移进行像素长度记录，结合两幅图片之间的时间间隔，利用公式计算液滴瞬时速度，获得液滴瞬时速度随时间变化曲线（如图10所示）；在获得相邻两幅图片液滴的瞬时速度，利用公式计算液滴瞬时加速度，获得不同位置处液滴的瞬时加速度（如图11所示）；在获得液滴的瞬时速度、瞬时加速度、瞬时垂直气流方向的液滴直径，利用公式计算液滴变形各阶段的曳力系数（如图12所示）；

（8）、选取如图14所示的液滴完全破碎后的实验图像，并将其导入数字图像处理程序中，对其进行灰度处理、边缘查找处理后，获得如15所示的液滴尺寸分布图，利用公式获得单液滴完全破碎后索太尔平均直径（SMD=48um），各子液滴空间坐标位置、不同直径的液滴数目分布（如图13所示文本文档）；

（9）、在步骤七的处理基础上，将相邻两幅实验图像中各液滴的空间位置数据进行处理，获得各尺寸液滴的瞬时速度。

本发明提供的气流中单液滴变形、破碎过程特性测量方法专用的测量装置，如图2所示，包括冷态空气加热系统、数据采集处理系统和液滴发生器2，冷态空气加热系统包括连接有气流恒温控制箱7的两根平行的空气加热管道1，空气加热管道1一端连接有试验测量口3，另一端通过空气转子流量计5与空气压缩机6相连；液滴发生器2的液滴出口设置在实验测量口3；数据采集处理系统包括相连的高速相机4和计算机8，其中高速相机4拍摄实验测量口3。 

冷态空气加热系统：气源由最大排气量5m³/min、最大排气压力0.7Mpa的螺杆式空气压缩机6提供；通过测量范围为50 m³/h～300 m³/h的空气转子流量计5控制空气流量；为了既能减小实验系统所占空间又能够满足空气加热要求，冷态空气加热段被设计为相同的、且互相平行的两段圆形管道，并采用水平放置的方式，单个加热管道长800mm、外径100mm，外部包有酚醛泡沫保温材料、内部装有陶瓷保温管，采用最大加热温度1200℃镍铬电热丝加热方式（如图3所示），电热丝加热功率由气流恒温控制箱控制，压气机最大体积流量下空气的最大加热温度为300℃。 

液滴由可调液滴直径大小的液滴发生器2提供，液滴直径范围为0.5mm～6mm，实验测量口3设计成横截面为4cm×4cm、侧面装有长宽3cm、长30cm矩形石英玻璃的矩形管道，采用垂直于空气加热管道1的竖直放置的方式，为了稳定气流，实验测量口3与空气加热系统之间装有网状整流装置。 

液滴在气流中的变形、破碎、运动过程由全幅状态下最大帧数6000帧/秒的IDT-Y5高速相机捕获，捕获的图像数据按实验工况分类直接传输到与相机相连的计算机中；液滴实验图像在经过适当剪裁后进入软件处理系统进行后继的处理。 

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。