一种基于X线CT设备技术测算木材等效扩散系数的方法

技术领域

本发明涉及木材科学领域，本发明提供一种基于X线CT设备技术测算木材等效扩散系数的方法。

背景技术

扩散现象，是指在浓度梯度作用下，液体或气体在材料内部迁移的过程，在木材科学领域，扩散性质是极其重要的表征水分在木材内部迁移能力的物性参数之一；其深入研究可完善木材与水分关系的基础理论，对木材干燥、木材改性等工的艺优化具有理论指导意义。

关于木材水分扩散性质的研究，主要集中在木材扩散系数求解及影响因素分析上，即在有限的检测条件下，以实验数据为基础，借助扩散理论构建水分迁移模型，进而逆求木材水分扩散系数；在此基础上，改变木材温度与含水率状态，建立扩散系数与外部因素的联系，该方法被称为逆分析法，目前多数研究者采用此手段计算木材水分扩散系数。

但是，上述方法的缺点是，不能通过研究孔隙结果对等效扩散系数的影响规律；同时，实验过程繁琐，检测精度极大地受限于实验条件设备精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于X线CT设备技术测算木材等效扩散系数的方法，已解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：.一种基于X线CT设备技术测算木材等效扩散系数的方法，包括有以下步骤：

S1扫描：将木材样件放置进入X线CT设备进行扫描得出二维图像扫描数据体；

S2三维图像重建：将二维图像扫描数据体经Avizo软件中进行可视化处理得出三维图像，其中，可视化处理由以下工序组成：

a)立体渲染工序，将二维图像扫描进行三维体渲染得出三维图像；

b)图像裁切设定工序，通过在三维图像上选取部分区域进行详细分析，从而达到减少图像处理计算量；

c)噪声过滤，对选取后的图像进行优化，过滤由于环境与设备带来的影响；

d)阈值分割，选取合适括值对木材孔隙与基质进行分割；

e)标记，通过标记确定每个3维孔隙结构；

f)量化分析，定量计算诸如孔隙率、孔体积及孔径分布等参数；

S3等效扩散计算：将S2得出的三维图像结构体部分模拟图进行设定孔隙与木材基层导热系数，在三维图像结构体部分模拟图上选择计算区域与选择计算方向。

作为本发明的进一步方案，所述木材样件呈圆柱形，且所述三维图像结构体模拟图呈圆柱形。

作为本发明的进一步方案，所述S2的工序b中所述图像裁切选取部分区域裁切尺寸为200*200*200pixel。

作为本发明的进一步方案，所述S3包括以下步骤：

S3.1通过选中conducting materials的“0”代表孔与“1”代表木材基质；根据需要选中水分流方向，其中含有X,Y,Z，三个方向；

S3.2边界条件选择温度的流入与流出：且所述流入温度设定298K，所述流出温度设定273K；

S3.3设置基质与孔隙内空气的导热系数：基质导热系数值设定为0.4396，孔隙的导热系数值0.0236W m-1 K-1，其它选项为默认值；

S3.4在浓度分布模拟结果中，进行可视化选择。首先在display中，分别选择层(slice)，等高面(isosurface)与等高线(isocontour)三个选项；

S3.5计算水分流流动方向，即在浓度流数据上，选择compute——gradient计算，直接单击应用，生成浓度的梯度分布；在此数据体上，单击display-illuminatedstreamlines，在此选项中选择，流线数num line为300，线长length为120，透明度opacity为0.5，消失因子fade factor为0.9，步尺寸step size为500000，分布distribute选择proportional，其它选项为默认值。

与现有技术相比，本发明公开了一种基于X线CT设备技术测算木材等效扩散系数的方法：通过采用X线CT设备技术测量木材真实的孔隙结构进行测算水分流，从而进行扩散等效模拟，不损坏试件，可呈现3维结构体，并且在这基础上，可以将描述水分扩散现象的控制方程引入几何体中，直接构建水分扩散模型，通过研究孔隙结果对等效扩散系数的影响规律，极大程度的保证模拟计算精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的圆柱形三维图像示意图。

图2是本发明的部分区域裁剪示意图。

图3是本发明的水分流模拟示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作作为本发明的进一步方案说明：

参考图1至图2，一种基于X线CT设备技术测算木材等效扩散系数的方法，包括有以下步骤：

S1扫描：将木材样件放置进入X线CT设备进行扫描得出二维图像扫描数据体；

S2三维图像重建：将二维图像扫描数据体经Avizo软件中进行可视化处理得出三维图像，其中，可视化处理由以下工序组成：

a)立体渲染工序，将二维图像扫描进行三维体渲染得出三维图像；

b)图像裁切设定工序，通过在三维图像上选取部分区域进行详细分析，从而达到减少图像处理计算量；

c)噪声过滤，对选取后的图像进行优化，过滤由于环境与设备带来的影响；

d)阈值分割，选取合适括值对木材孔隙与基质进行分割；

e)标记，通过标记确定每个3维孔隙结构；

f)量化分析，定量计算诸如孔隙率、孔体积及孔径分布等参数；

S3等效扩散计算：将S2得出的三维图像结构体部分模拟图进行设定孔隙与木材基层导热系数，在三维图像结构体部分模拟图上选择计算区域与选择计算方向。

作为本发明的进一步方案，所述木材样件呈圆柱形，且所述三维图像结构体模拟图呈圆柱形。

作为本发明的进一步方案，所述S2的工序b中所述图像裁切选取部分区域裁切尺寸为200*200*200pixel。

作为本发明的进一步方案，所述S3包括以下步骤：

S3.1通过选中conducting materials的“0”代表孔与“1”代表木材基质；根据需要选中水分流方向，其中含有X,Y,Z，三个方向；

S3.2边界条件选择温度的流入与流出：且所述流入温度设定298K，所述流出温度设定273K；

S3.3设置基质与孔隙内空气的导热系数：基质导热系数值设定为0.4396，孔隙的导热系数值0.0236W m-1 K-1，其它选项为默认值；

S3.4在浓度分布模拟结果中，进行可视化选择。首先在display中，分别选择层(slice)，等高面(isosurface)与等高线(isocontour)三个选项；

S3.5计算水分流流动方向，即在浓度流数据上，选择compute——gradient计算，直接单击应用，生成浓度的梯度分布；在此数据体上，单击display-illuminatedstreamlines，在此选项中选择，流线数num line为300，线长length为120，透明度opacity为0.5，消失因子fade factor为0.9，步尺寸step size为500000，分布distribute选择proportional，其它选项均为默认值。

实施例一

其中，在slice中，选择合适的方向角度，即orientastion，xy-zx-yz；在colormap中将显示颜色设定为graylevel，根据在窗口中图像的视觉效果，进行具体数值设定，范围在298-273之间；其它选项为默认值。

其中，在isocontour中，选择合适的方向角度，即orientastion，xy-zx-yz；将阈值范围设定为298-273K之间，显示等高线条数为30；图像质量设定为高，分辨率设定300；线宽设定2；其它选项为默认值，单击apply。

在isosurface中，选择合适的方向角度，即orientastion，xy-zx-yz；点击auto-refresh自动更新；阈值设定为min-max覆盖整个区域；在colormap中将显示颜色设定为graylevel；其它选项为默认值，单击apply。

等效导热系数的各向异性表征thermal conductivity tensor simulation，这里我们在此模块中重复上述步骤1，但此时，必须将3个方向的水分流都选中，单击运行，这里直接计算出如下矩阵数据的形式，代表材料内部水分扩散性质具有矢量性。

再重复上述2与3步骤，将再次出现模拟结果，但此模拟结果是3个方向的矢量结合，不具有单一方向性。

最终，所获数据的形式由3*3的特征值与特征向量表达。

本发明公开了一种基于X线CT设备技术测算木材等效扩散系数的方法：通过采用X线CT设备技术测量木材真实的孔隙结构进行测算水分流，从而进行扩散等效模拟，不损坏试件，可呈现3维结构体，并且在这基础上，可以将描述水分扩散现象的控制方程引入几何体中，直接构建水分扩散模型，通过研究孔隙结果对等效扩散系数的影响规律，极大程度的保证模拟计算精度。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变形，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。