测量气固两相流中固体颗粒三维浓度场、速度场的方法和装置

摘要

本发明公开了一种测量气固两相流中固体颗粒三维浓度场、速度场的方法和装置。将粒子流发射管放置在由双视角立体镜和高速摄影机组成的高速立体视觉系统前，射流粒子经过双视角立体镜镜面折射，单个高速摄影机靶面可同时获得两个不同角度的粒子流图像，图像输入计算机后，由模式识别算法程序和三维逆向投影算法程序组成的程序模块对一幅粒子立体图像进行处理，得到粒子的瞬态三维浓度场，程序模块处理一系列微秒级时序变化粒子图像，得到粒子三维运动轨迹以及三维速度场。使用单相机系统稳定，克服了多相机系统结构复杂、同步性差的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及气固两相流体三维运动特性分析技术，具体涉及一种测量气固两相流中固体颗粒三维浓度场、速度场的方法和装置。

背景技术

对气固两相流的研究是湍流研究领域中重要而前沿的课题，目前对于气固两相流中固体粒颗粒运动轨迹的一个主要研究方向是两相流测试技术，其中粒子图像测速PIV技术以及DPIV技术由于非接触全场测量、原理简单、实现方便等优点而受到广泛的应用与研究。但以上技术一般均采用片光源和单镜头摄影系统，只能得到两相流中固体粒子三维运动的二维投影图像，缺乏立体感，因而只能用于二维流场或者三维流场中某一断面粒子运动特征的研究。为了得到真实的三维运动图像，可以采用多个相机，从不同角度拍摄，该方法问题是系统复杂、设备投资大，不同相机之间同步性难以掌握，多相机系统参数无法固定，应用此方法重建粒子的三维空间运动轨迹有很大的困难。

发明内容

本发明的目的在于提供一种使用双视角立体镜和单个高速摄影机组成的高速立体视觉系统分析、测量气固两相流中固体颗粒三维浓度场、速度场的方法和装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一、一种测量气固两相流中固体颗粒三维浓度场、速度场的方法：

将粒子流发射管放置在由双视角立体镜和高速摄影机组成的高速立体视觉系统前，射流粒子经过双视角立体镜镜面折射，单个高速摄影机靶面可同时获得两个不同角度的粒子流图像，图像输入计算机后，由模式识别算法程序和三维逆向投影算法程序组成的程序模块对一幅粒子立体图像进行处理，得到粒子的瞬态三维浓度场，程序模块处理一系列微秒级时序变化粒子图像，得到粒子三维运动轨迹以及三维速度场。

二、一种测量气固两相流中固体颗粒三维浓度场、速度场的装置：

分为硬件系统和软件系统两个部分，硬件系统主要包括三个部分：固定于高速摄影机镜头前的双视角立体镜、用于采集图像的高速摄影机和对图像进行处理的后台计算机，所述的双视角立体镜由四片平面反射镜按如下方法放置排列，即第一平面镜、第二平面镜、第三平面镜和第四平面镜自左至右依次排列，第一平面镜和第二平面镜平行排列，第三平面镜和第四平面镜平行排列，第一平面镜和第二平面镜与第三平面镜和第四平面镜两者对称放置，第二平面镜与第三平面镜之间的夹角为90度，四片平面反射镜镜片固定在镜架上，双视角立体镜整体固定在摄影机镜头上；软件系统采用Visual Studio 6.0和MATLAB编程软件开发。

本发明具有的有益效果是：

单个高速摄影机靶面上同时获取两个不同角度的粒子图像、通过粒子模式识别技术和逆向投影算法得到流场中粒子的三维坐标是分析气固两相流的最佳方案。此方法有以下优点：

1.使用单相机系统同时获取不同角度粒子运动图像，克服了多相机系统结构复杂、同步性差的问题。

2.单相机系统稳定，对粒子三维运动轨迹的重建计算提供稳定的参数。

3.基于亚象素拟合的高精度粒子模式识别算法大大提高了不同角度图像中对应两相粒子的识别精度，通过两个不同角度逆向投影面的交汇，可以得到图像中粒子的三维坐标。

4.结合微秒级时序坐标变化，可以对两相流中粒子的三维速度场、浓度场进行分析研究。

附图说明

图1是高速立体视觉系统结构示意图。

图2是双视角立体镜光路图。

图3是双视角立体镜结构主视图。

图4是图3仰视图。

图5是图像处理软件系统流程图。

图中：1、粒子流发射管，2、双视角立体镜，3、高速摄影机，4、平面反射镜，5、平面反射镜，6、平面反射镜，7、平面反射镜，8、镜头，9、靶面，10、镜架，11、双视角立体镜透光孔。

具体实施方式

如图1、图2、图3、图4所示，本发明分为硬件系统和软件系统两个部分，硬件系统主要包括三个部分：固定于高速摄影机镜头前的双视角立体镜2、用于采集图像的高速摄影机3和对图像进行处理的后台计算机，所述的双视角立体镜2由四片平面反射镜按如下方法放置排列，即第一平面镜4、第二平面镜5、第三平面镜6和第四平面镜7自左至右依次排列，第一平面镜4和第二平面镜5平行排列，第三平面镜6和第四平面镜7平行排列，第一平面镜4和第二平面镜5与第三平面镜6和第四平面镜7两者对称放置，第二平面镜5与第三平面镜6之间的夹角为90度，四片平面反射镜镜片固定在镜架10上，双视角立体镜整体固定在摄影机镜头上；软件系统采用Visual Studio 6.0和MATLAB编程软件开发。

如图1、图2、图3、图4所示，应用立体视觉系统拍摄粒子射流，双视角立体镜2水平固定在高速摄影机3镜头前。高速立体视觉系统的软件系统流程图如图5所示。首先使用标准网格图像和基于MATLAB平台开发的CCD参数标定算法建立CCD成像光路模型，获取CCD光学投影矩阵。之后，使用高速立体视觉系统拍摄粒子射流，射流粒子经过图2所示的四个平面反射镜4、5、6、7所组成的双视角立体镜2光路，通过镜架10上的双视角立体镜的透光孔11及镜头8，在摄影机CCD靶面9上投影得到两个不同角度的立体图像即双视角粒子运动图像，图像传入计算机，在得到CCD光学投影矩阵的基础上，对单视角粒子运动图像进行处理，可以得到粒子的二维图像归一化坐标。使用基于VisualStudio 6.0平台开发的亚像素模式识别算法对双视角粒子运动图像进行处理，结合已得到的光学投影模型计算出粒子的三维径深即粒子在三维空间中的深度信息。在获得粒子的二维图像归一化坐标和其三维径深信息后，使用基于VisualStudio 6.0平台开发的逆向投影算法，计算得到粒子三维坐标。结合微秒级粒子图像序列，可以重建粒子的三维运动轨迹，获得粒子的三维速度场，以及粒子团的浓度场变化。