基于光场成像的气液两相流中气泡三维测量方法研究

论文摘要

气液两相流作为多相流最常见的形式之一,广泛应用于能源、化工、环保和轻工业等行业中,气液两相流测量技术对于研究气液流动及相际传质都具有重要的意义,气泡作为气液两相流中的重要组成对象,其参数的测定尤为重要。现有气泡测量方法存在系统复杂、实时性差以及仅能二维测量等问题。针对这些不足,本文提出一种基于光场成像的气液两相流中气泡三维测量方法,并对此方法开展了系统的理论与实验研究。首先对光场的概念和光场参数化的表征进行了研究。对光场信息的采集方法进行了介绍,分析了在气泡测量领域,光场成像相对于传统成像的优势。深入探讨了光场相机的内部机构和成像原理,对数字重聚焦算法进行了研究,并根据几何光学和针孔原理,分析讨论了光场相机角度分辨率、空间分辨率、深度分辨率及其影响因素。其次建立了气泡三维重建模型,解决了传统成像仅能进行二维测量的问题。为获取气泡二维信息,对全聚焦图像进行一系列数字图像处理,并通过改进分水岭算法分割重叠气泡;为获取深度信息,利用DFF算法结合点锐度清晰度评价函数对重聚焦图像序列处理,获取气泡图像各处的聚焦位置,并以气泡边缘平均深度作为气泡质心深度。结合深度和放大率标定数据,可实现气泡三维重建,进而统计气泡群尺寸分布、空间位置及含气率等参数,同时对气泡三维重建结果进行三维互相关运算,实现了气泡的速度测量。然后建立了光场成像标定装置,并进行了重聚焦图像聚焦深度和放大率标定。利用清晰度评价函数,对光场相机的重聚焦图像对应的实际位置进行了标定,并拟合了重聚焦图像和其在物空间聚焦深度的对应关系曲线,标定误差小于1 mm;利用黑白棋盘标定板对放大率进行标定,并建立了放大率和深度位置的变化曲线。通过深度和放大率标定,建立了气泡实际参数与像参数之间的联系。在薄型平板鼓泡床上对气泡深度进行了分析评价,结果表明气泡重建深度平均误差为0.58 mm,满足工业上宏观气泡的测量精度需求。最后,在平板鼓泡床上,开展了气泡三维测量实验研究,对基于光场成像的气液两相流中气泡三维测量方法进行了实验验证。对气流量q=2.5 L·min-1时床体右下区域涡流流场进行了三维重建,分析了气泡直径和深度分布范围、截面含气率等参数,计算得到的气泡速度场符合旋涡流动规律。研究了床体右下区域气泡三维重建结果与速度场随气流量的变化。结果表明,随着气流量的增加,气泡数量正比增加,气泡深度分布范围逐渐增大,气流量对气泡运动流线有着明显的影响,体含气率、气泡直径和气泡运动速率在涡流形成时出现不同程度的下降。进一步研究了平板鼓泡床内6个不同区域的体含气率与速度场随气流量的变化。结果表明,当气流量q达到2.5 L·min-1时,由于气泡初速度改变而形成双侧涡流,并且旋涡随着气流量的增大而增大,导致平板鼓泡床内部不同区域含气率存在明显的差异。实验结果进一步证明了基于光场成像的气液两相流中气泡三维测量方法的可行性。

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文章来源

类型: 硕士论文

作者: 李庆浩

导师: 许传龙

关键词: 光场成像,气液两相流,气泡,三维重建

来源: 东南大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 力学

单位: 东南大学

基金: 国家自然科学基金资助项目(编号:51676044),江苏省自然科学基金资助项目(编号:BK20150622,BK20150023),中国科学院低碳转化科学与工程重点实验室开放课题(编号:KLLCCSE-201703,SARI,CAS)

分类号: O359.1

DOI: 10.27014/d.cnki.gdnau.2019.002032

总页数: 88

文件大小: 5145K

下载量: 30

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