一种气液两相流气泡图像采集和测量装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及多相流领域，具体涉及到一种气液两相流气泡图像采集和测量装置及其测量方法。

背景技术

气液两相流广泛存在于能源、化工、动力、冶金、航天和核工业等领域。这些系统中，气体通常以气泡的形式分散在液体中，在上升过程中与周围气泡以及液流发生作用，从而影响系统的传质、传热或反应特性。气泡现象是气液两相泡状流的典型代表。在许多工程和实验中，气液两相泡状流中气泡的物性参数(如气泡尺寸及数量分布等)是重要的工艺参数，气泡识别效果好坏直接影响气泡运动规律研究的精度。如在水处理方面，曝气、气浮及气选等工艺的处理能耗和处理效率与气泡物性和运动特性密切相关。因此，对两相流中气相特征的定量测量，不仅是认识各种气液两相流流动特性的重要前提，也为解决实际工程问题提供理论指导。对气液两相流的流动结构及特征参数的研究，更是有助于指导工业实践，对提高生产效益具有重要意义。

随着气液两相泡状流流动的深入研究，对气泡测量手段提出了更高的要求。早期受测量技术的限制，对两相流动主要采用接触式测量方法。但这些方法测量的数据多为时均量，不能测量整个流动断面上的瞬时量，存在侵入干扰和测量气泡尺寸受限等缺点，而且测量结果往往存在较大误差。近年来，图像处理作为现代信息处理技术，已被广泛地应用到各种参数检测中，其中高速摄像法是一种非接触式瞬态、整场测量方法，可以直观显示气泡的大小及其分布，以及气泡的运动过程；而且，对流场内的气泡运动没有干扰。然而，目前的技术不能快速准确地对气泡尺寸和分布进行测量，无法满足对气相特征准确测量的要求。

因此，为解决上述现有技术问题，确有必要提出一种气液两相泡状流中气泡的采集及测量装置，以克服现有技术的不足。

发明内容

为了克服上述现有技术中的缺陷，本发明提供了一种气液两相流气泡图像采集和测量装置及其测量方法，能够利用气泡生成装置生成可调可控的两相流，采用高速摄像机采集两相流气泡图像，并利用计算机在线、快速、准确地识别图像中气液两相流中的气泡，并得到气相特征。

技术方案

一种气液两相流气泡图像采集和测量装置，包括搭载支架，所述搭载支架上设置有气液混合装置，所述气液混合装置的两侧分别连接有液流控制装置与气流控制装置，所述气液混合装置上还设置有均匀照明装置，所述气液混合装置的远离所述均匀照明装置的一侧还设置有图像采集装置。

进一步的，以所述气液混合装置为中心，所述液流控制装置和所述气流控制装置同轴线横向放置，所述均匀照明装置和所述图像采集装置同轴线纵向放置，整体布局呈“十”字状。

进一步的，所述气液混合装置包括设置于所述搭载支架下侧的三角圆台，所述三角圆台的上侧固设有贯穿所述搭载支架的可透视圆管，所述可透视圆管的底部呈L型，所述可透视圆管的前侧连接有活结头，所述可透视圆管的下侧设置有圆孔，所述圆孔处连接有气管，所述气管与所述可透视圆管的连接处设置有位于所述圆孔上侧的气泡石，所述可透视圆管贯穿并嵌套连接有固设于所述搭载支架上的可透视方形箱。

进一步的，所述液流控制装置包括设置于所述搭载支架前侧的液体储存容器，所述液体储存容器的后侧依次连接有水管、水泵、液流阀、液体流量计，所述水管的最后端与所述活结头连接。

进一步的，所述气流控制装置包括连接于所述气管另一端的储气瓶，所述气管上还设置有气体流量计。

进一步的，所述均匀照明装置包括固设于所述可透视方形箱左侧的光源，所述光源包括若干个规则阵列的LED灯珠以及柔光板。

进一步的，所述柔光板安装于所述LED灯珠的出光端面，所述柔光板由磨砂玻璃组成，对所述LED灯珠发出的光线进行散射从而使得照射的光线均匀

进一步的，所述图像采集装置包括设置于所述搭载支架右侧的三脚架，所述三脚架的上端固设有高速相机，所述高速相机的镜头正对所述可透视圆管和所述可透视方形箱，所述高速相机通过千兆以太网线与计算机数据处理终端相连接。

进一步的，所述计算机数据处理终端安装有两相流气泡图像采集测试软件，对获得的两相流气泡图像进行分析测量，所述三脚架处于所述均匀照明装置和所述气液混合装置的同轴线上且所述高速相机的镜头正对所述可透视方形箱，所述三脚架能够调节所述高速相机的高度。

进一步的，为了去除所述可透视方形箱、所述可透视圆管本身材质对气泡图像采集带来的干扰，在所述可透视方形箱中加入与其可透视材质相同折射率的液体，进而减弱装置成像轮廓导致的误差。

进一步的，所述可透视材质为有机玻璃，所述相同折射率的液体为甘油。

一种气液两相流气泡图像采集和测量装置的测量方法，包括以下步骤：

a、固定高速相机的位置及镜头高度，确保高速相机视野范围处于同一高度，在可透视圆管中注入测试液体；

b、通过在可透视圆管中悬挂标定小球，利用高速相机分别采集实验环境下不同角度的标定小球图像，记录标定小球位置的空间信息，建立标定小球的实际尺寸与高速相机所采集图像的尺寸之间的对应关系，完成图像尺寸标定工作；

c、移除标定小球，输入测试气体，获取两相流中的气泡图像，根据气泡图像的尺寸及对应位置的标定系数计算出气泡的实际尺寸。

进一步的，所述标定小球为中心穿线可悬挂的实心球体。

进一步的，所述步骤b具体包括以下过程：

b、将高速相机镜头采集的视野范围平均分为n×n个区域；

b、分别计算两个方向上每个区域的中心点P

b、对每个处于不同位置的标定小球进行两次分割，分别获取每个标定小球不同方向上的轮廓；

b、计算每个标定小球不同方向上轮廓图形的直径；

b、根据标定小球所处的不同空间位置，建立每个区域内标定小球的实际直径尺寸与该标定小球成像轮廓直径尺寸之间的缩放关系，完成图像尺寸的标定工作；

b、增加高速相机数量、增加视野范围分割数n及更换不同尺寸的标定小球进行对应关系求取，再通过标定系数平均处理能够获得更加平滑和精确的标定系数曲线。

进一步的，所述步骤c具体包括以下过程：

c、分别将高速相机采集到的气泡图像进行分割，获取每个气泡在不同方向上的轮廓；

c、计算每个气泡的中心点Q

c、针对被观测气泡所在空间区域，查找该气泡所在空间区域在标定结果中的对应关系；

c、根据被观测气泡图像所显示的尺寸，利用查找到的对应关系，计算气泡的实际长度、宽度尺寸，获得当前气泡的粒径尺寸。

有益效果

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

通过气流阀和液流阀对气流和液流进行控制，气体流量计和液体流量计分别对气流和液流进行精确测量，进而实现对两相泡状流中气泡运动速率及外观形态的控制，同时，为去除可透视方形箱和可透视圆管本身材质对气泡图像采集带来的干扰，在可透视方形箱中注入了大量无色透明的同折射率液体，进而实现最后图像采集结果仅为柱状测试液流中的气泡图像，此外，本发明所采用的标定方法通过采集三维空间信息进行深度处理，能够更全面、准确的获取气泡的实际参数；结构简单且稳定，布局合理，可以计算气体(气泡)在液体中的含气率及其形状特征等参数，不仅测量参数可控可调，测试结果准确、实用性强，而且可以在很大程度上节约测试溶液的使用量，简化操作过程，适合在科研、教学等领域中广泛应用，实现对流动/非流动性透明液体中气泡参数的准确测量。

附图说明

图1是本发明一种气液两相流气泡图像采集和测量装置的结构示意图。

图2是气液混合装置、液流控制装置、气流控制装置的结构示意图。

图3是图像采集装置与均匀照明装置的结构示意图。

附图标记

1、液体存储容器；2、水管；3、水泵；4、液流阀；5、液体流量计；6、活结头；7、三角圆台；8、搭载支架；9、气泡石；10、可透视圆管；11、可透视方形箱；12、气管；13、气体流量计；14、储气瓶；15、光源；16、三脚架；17、高速相机。

具体实施方式

为更好地说明阐述本发明内容，下面结合附图和实施实例进行展开说明：

有图1-图3所示，本发明公开了一种气液两相流气泡图像采集和测量装置，包括搭载支架8，所述搭载支架8上设置有气液混合装置，所述气液混合装置的两侧分别连接有液流控制装置与气流控制装置，所述气液混合装置上还设置有均匀照明装置，所述气液混合装置的远离所述均匀照明装置的一侧还设置有图像采集装置。

进一步的，以所述气液混合装置为中心，所述液流控制装置和所述气流控制装置同轴线横向放置，所述均匀照明装置和所述图像采集装置同轴线纵向放置，整体布局呈“十”字状。

进一步的，所述气液混合装置包括设置于所述搭载支架8下侧的三角圆台7，所述三角圆台7的上侧固设有贯穿所述搭载支架8的可透视圆管10，所述可透视圆管10的底部呈L型，所述可透视圆管10的前侧连接有活结头6，所述可透视圆管10的下侧设置有圆孔，所述圆孔处连接有气管12，所述气管12与所述可透视圆管10的连接处设置有位于所述圆孔上侧的气泡石9，所述可透视圆管10贯穿并嵌套连接有固设于所述搭载支架8上的可透视方形箱11。

进一步的，所述液流控制装置包括设置于所述搭载支架8前侧的液体储存容器1，所述液体储存容器1的后侧依次连接有水管2、水泵3、液流阀4、液体流量计5，所述水管2的最后端与所述活结头6连接。

进一步的，所述气流控制装置包括连接于所述气管12另一端的储气瓶14，所述气管12上还设置有气体流量计13。

进一步的，所述均匀照明装置包括固设于所述可透视方形箱11左侧的光源15，所述光源包括若干个规则阵列的LED灯珠以及柔光板。

进一步的，所述柔光板安装于所述LED灯珠的出光端面，所述柔光板由磨砂玻璃组成，对所述LED灯珠发出的光线进行散射从而使得照射的光线均匀

进一步的，所述图像采集装置包括设置于所述搭载支架8右侧的三脚架16，所述三脚架16的上端固设有高速相机17，所述高速相机17的镜头正对所述可透视圆管10和所述可透视方形箱11，所述高速相机17通过千兆以太网线与计算机数据处理终端相连接。

进一步的，所述计算机数据处理终端安装有两相流气泡图像采集测试软件，对获得的两相流气泡图像进行分析测量，所述三脚架16处于所述均匀照明装置和所述气液混合装置的同轴线上且所述高速相机17的镜头正对所述可透视方形箱11，所述三脚架16能够调节所述高速相机17的高度。

进一步的，为了去除所述可透视方形箱11、所述可透视圆管10本身材质对气泡图像采集带来的干扰，在所述可透视方形箱中11加入与其可透视材质相同折射率的液体，进而减弱装置成像轮廓导致的误差。

进一步的，所述可透视材质为有机玻璃，所述相同折射率的液体为甘油。

进一步的，为了减少用料，减轻装置重量，降低成本，所述搭载支架8采用框架式结构。

进一步的，为了达到节约能源，提高光源发光强度的设计目的，所述光源15由多个LED灯珠规则阵列组成，以进一步起到缩小装置整体尺寸的作用。

进一步的，各零部件均可拆卸，安装便捷，当需要测量单气泡实验数据时，可将所述气泡石9更换为针孔，通过调节输入气流的流量及流速即可。

一种气液两相流气泡图像采集和测量装置的测量方法，包括以下步骤：

a、固定高速相机17的位置及镜头高度，确保高速相机17视野范围处于同一高度，在可透视圆管10中注入测试液体；

b、通过在可透视圆管10中悬挂标定小球，利用高速相机17分别采集实验环境下不同角度的标定小球图像，记录标定小球位置的空间信息，建立标定小球的实际尺寸与高速相机17所采集图像的尺寸之间的对应关系，完成图像尺寸标定工作；

c、移除标定小球，输入测试气体，获取两相流中的气泡图像，根据气泡图像的尺寸及对应位置的标定系数计算出气泡的实际尺寸。

进一步的，所述标定小球为中心穿线可悬挂的实心球体。

进一步的，所述步骤b具体包括以下过程：

b1、将高速相机17镜头采集的视野范围平均分为n×n个区域；

b2、分别计算两个方向上每个区域的中心点P

b3、对每个处于不同位置的标定小球进行两次分割，分别获取每个标定小球不同方向上的轮廓；

b4、计算每个标定小球不同方向上轮廓图形的直径；

b5、根据标定小球所处的不同空间位置，建立每个区域内标定小球的实际直径尺寸与该标定小球成像轮廓直径尺寸之间的缩放关系，完成图像尺寸的标定工作；

b6、增加高速相机17数量、增加视野范围分割数n及更换不同尺寸的标定小球进行对应关系求取，再通过标定系数平均处理能够获得更加平滑和精确的标定系数曲线。

进一步的，所述步骤c具体包括以下过程：

c1、分别将高速相机17采集到的气泡图像进行分割，获取每个气泡在不同方向上的轮廓；

c2、计算每个气泡的中心点Q

c3、针对被观测气泡所在空间区域，查找该气泡所在空间区域在标定结果中的对应关系；

c4、根据被观测气泡图像所显示的尺寸，利用查找到的对应关系，计算气泡的实际长度、宽度尺寸，获得当前气泡的粒径尺寸。

具体地，水泵3运行时，从液体存储容器1中抽取测试液体，经由水管2进行输送依次经过水泵3、液流阀4、液体流量计5和活结头6，进入可透视圆管10；测试气体由储气瓶14输出，通过气体流量计13，由气管12进行传输，进入可透视圆管10，测试气流在气泡石9处被转化为气泡，并与测试液体混合，形成气泡速率和外观形状稳定的气液两相泡状流，通过液体流量计5和气体流量计13可以调节测试液体和测试气体的输入速率和输入量，从而调节气泡在液流中的运动速率和外观形态，光源15发出的均匀光线透过可透视方形箱11和可透视圆管10照向高速相机17，高速相机17与计算机数据处理终端相连接，通过在线数据处理软件可以直观的观测到气泡的运动状态，通过在可透视方形箱11中注入甘油，可以有效去除可视化测试装置外观边缘，通过调整均匀光源15的亮度，可以得到图像清晰、边缘完整的气泡图像，最后将采集到的图像数据发送至数据处理终端，通过气泡图像的分析处理以生成气泡参数；

在本实施例中，所述标定小球优选设计成中心穿线可悬挂的实心球体，固定高速相机17的位置及镜头高度，在可透视圆管10中注入测试液体并悬挂标定小球；

(1-1)将所述高速相机镜头采集的视野范围平均分为n×n个区域，所述n优选等于10，即将视野范围阵列均分为10×10个区域；

(1-2)计算每个区域的中心点P

(1-3)对每个处于不同位置的标定小球进行分割，获取每个标定小球的轮廓；

(1-4)计算每个标定小球轮廓图形的直径；

(1-5)建立每个区域内标定小球的实际直径尺寸与该标定小球成像轮廓直径所对应的像素个数之间的缩放关系，完成图像尺寸的标定工作；

在本实施例中，增加视野范围分割数n及更换不同尺寸的标定小球再求取平均标定系数能够获得更加平滑和精确的标定系数曲线；

上述步骤(1-1)至(1-5)在数据处理终端中完成，将高速相机17拍摄到的标定图像传送至数据处理终端，利用标定处理软件建立起每个区域内标定小球的实际直径尺寸与该标定小球成像轮廓直径所对应的像素个数之间的缩放关系，完成图像尺寸的标定工作；

标定结束后，保持高速相机17位置及镜头高度不动，移除标定小球，控制气体流量计13输入稳定气流，进入后续的气泡参数生成过程；

在气泡参数的生成过程中，首先通过高速相机17获取两相流中的气泡图像，传输至数据终端，利用气泡参数计算软件，根据标定过程中获得的对应关系，计算出气泡粒径的实际尺寸；具体步骤如下：

(1-6)将高速相机17采集到的气泡图像进行分割，获取每个气泡的轮廓；

(1-7)计算每个气泡的中心点Q

(1-8)针对当前气泡所在区域，查找该气泡所在区域在标定结果中的对应关系；

(1-9)当前气泡图像所显示的尺寸像素个数，利用查找到的对应关系，计算气泡的实际长度、宽度尺寸，获得当前气泡的粒径尺寸；

按照步骤(1-6)至(1-9)的处理过程，对气泡图像中的每个气泡进行分析处理，计算出每个气泡的粒径尺寸。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明技术方案进行了详细的说明，本领域的技术人员应当理解，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神与范围。