微小通道氣液兩相流空隙率測量裝置及方法
2023-07-09 00:16:11 3
專利名稱：微小通道氣液兩相流空隙率測量裝置及方法
技術領域：
本發明涉及計量技術領域，尤其涉及ー種微小通道氣液兩相流空隙率測量裝置及方法。
背景技術：
兩相流廣泛存在於石油化學エ業等領域之中。由於微型設備具有佔用空間小、能量消耗少、響應速度快、単位時間和體積內包含信息量大、轉化效率高、批量價格相對低廉和安全易控等諸多優點，微型系統內的兩相流現象受到越來越多的關注與重視，微型管道中兩相流參數的檢測也成為多相流參數檢測領域的ー個新方向。空隙率是兩相流中十分重要的參數之一，計算兩相流的壓カ梯度、平均密度、流 量、分析管道內部流動狀況等都是在空隙率已知的基礎上進行的，空隙率的精確在線測量對生產過程中的實時監控、節能增效、狀態監測、安全運行等方面都有十分重要的作用。目前在微小通道空隙率檢測方面的研究還處在起步階段，大多數研究手段主要集中在純實驗整理法、快關閥法和高速攝影法。空隙率的純實驗整理法得到的是管道內一定長度內的平均空隙率。其方法一般是先通過實驗得到空隙率，然後再用實驗空隙率與壓カ降、流速、粘度、密度等流動參數進行回歸，最終得到空隙率的計算公式或者圖解式。但大多數經驗/半經驗公式僅僅針對當前實驗條件，當實驗條件改變後，大多數經驗公式並不適用。並且很少有全流型範圍內有效的空隙率測量方法。快關閥法通常是在氣液兩相流實驗管段兩端安裝兩個同時動作的快關閥，當流動穩定時，快速同時關閉兩個快關閥，然後通過氣液分離或其它測量手段得到氣體和液體的體積或者質量，從而計算出實驗管段內的平均空隙率。但在在測量時候要暫時停止正常的流動，所以難以進行在線實時的測量，不易應用在エ業現場中。高速攝像機可以清晰地拍攝快速運動中的微小尺寸物體，並且具有非侵入性等優點，越來越多的研究人員將高速攝影法應用在微小管道兩相流空隙率測量研究中。目前採用高速攝影法對微小管道兩相流參數的測量已經成為微小管道兩相流參數測量的重要趨勢，本發明就是基於高速攝影對微小通道氣液兩相流進行空隙率的測量。
發明內容
本發明的目的在於針對現有技術的不足，提供ー種微小通道氣液兩相流空隙率測
量裝置及方法。本發明的目的是通過以下技術方案來實現的ー種微小通道氣液兩相流空隙率測量裝置，它包括拍攝管道、閃光燈、高速攝像機和計算機等；高速攝像機置於拍攝管道一偵牝閃光燈置於拍攝管道另ー側，與高速攝像機相對；閃光燈與高速攝像機連接，高速攝像機與計算機連接。一種應用上述裝置的微小通道氣液兩相流體積平均空隙率測量方法，包括如下步驟
(I)拍攝管道內通入純水，高速攝像機拍攝拍攝管道內純水的圖像作為背景圖像；(2)拍攝管道內通入氣液兩相流，高速攝像機拍攝拍攝管道內氣液兩相流動的灰度圖
像；
(3)對步驟2拍攝的灰度圖像進行預處理，使灰度圖像轉變為ニ值圖像；該步驟包括如下子步驟
(3. I)將步驟2拍攝的灰度圖像與步驟I拍攝的背景圖像相減，以消除灰度圖像背景和拍攝管道的管壁的影像；
(3. 2)對步驟3. I輸出的相減後的灰度圖像進行中值濾波，降低拍攝的灰度圖像由於攝像機傳感器或者環境等外界因素的影響而產生的椒鹽噪聲；
(3. 3)使用邊緣檢測器檢測步驟3. 2輸出的中值濾波後的灰度圖像的氣相介質的邊
緣；
(3. 4)對步驟3. 3輸出的邊緣檢測後的圖像進行填充，將圖像中的氣相介質區域以灰度值「I」進行填充，得到ニ值圖像；
(4)針對步驟3輸出的ニ值圖像，根據流型採用對應的微小通道氣液兩相流空隙率模型進行體積平均空隙率計算；該步驟具體為
微小通道氣液兩相流體積平均空隙率測量方法中空隙率模型包括段塞流、泡狀流、層狀流、波狀流和環狀流空隙率模型；
設拍攝的圖像中，管道長度為ガ個像素，管道的直徑長度為ガ個像素，圖像的每個正方
M j
形像素實際邊長為臟，則管道的體積= πχ(μ X D)2 X μ ；
五種空隙率模型如下
(4. I)微小通道段塞流空隙率模型設段塞流圖像中共有/7個氣塞，第々個氣塞的長度為Ik個像素，第k個氣塞的第i個像素處橫截面的高度為d{k，I)個像素，則採用積分的原理,整個管段內氣體的總體積&為
H 4 J
6 = ΣΣ3x;TX(."xd(m)2 ;
則在管段內段塞流體積平均空隙率％|^為
由於氣水兩相流體積平均空隙率的隨機波動性和測量過程中的其他隨機因素的影響，需要取多張圖片的空隙率計算值的平均值，所以這裡取攝像機連續拍攝的#張圖像計算每
張圖像的體積平均空隙率A，然後取平均值作為該實驗條件下段塞流的體積平均空隙率Oislag的值，即
—
如トV 』
(4. 2)微小通道泡狀流空隙率模型設泡狀流圖像中共有/7個氣泡，第々個氣泡的長度為厶個像素，第々個氣泡的第i個像素處橫截面的高度為ゴ免V個像素，則採用積分的原理,整個管段內氣體的總體積&為
權利要求
1.一種微小通道氣液兩相流空隙率測量裝置，其特徵在於，它包括拍攝管道(I)、閃光燈(2)、高速攝像機(3)和計算機(4)等；高速攝像機(3)置於拍攝管道(I) 一側，閃光燈(2)置於拍攝管道(I)另一側，與高速攝像機(3)相對；閃光燈(2)與高速攝像機(3)連接，高< 速攝像機(3)與計算機(4)連接。
2.一種應用權利要求I所述裝置的微小通道氣液兩相流體積平均空隙率測量方法，其特徵在於，該方法包括如下步驟 (1)拍攝管道(I)內通入純水，高速攝像機(3)拍攝拍攝管道(I)內純水的圖像作為背景圖像； (2)拍攝管道(I)內通入氣液兩相流，高速攝像機(3)拍攝拍攝管道(I)內氣液兩相流動的灰度圖像； (3)對步驟2拍攝的灰度圖像進行預處理，使灰度圖像轉變為二值圖像；該步驟包括如下子步驟 (3. I)將步驟2拍攝的灰度圖像與步驟I拍攝的背景圖像相減，以消除灰度圖像背景和拍攝管道(I)的管壁的影像； (3. 2)對步驟3. I輸出的相減後的灰度圖像進行中值濾波，降低拍攝的灰度圖像由於攝像機傳感器或者環境等外界因素的影響而產生的椒鹽噪聲； (3. 3)使用邊緣檢測器檢測步驟3. 2輸出的中值濾波後的灰度圖像的氣相介質的邊緣； (3. 4)對步驟3. 3輸出的邊緣檢測後的圖像進行填充，將圖像中的氣相介質區域以灰度值「I」進行填充，得到二值圖像； (4)針對步驟3輸出的二值圖像，根據流型採用對應的微小通道氣液兩相流空隙率模型進行體積平均空隙率計算；該步驟具體為 微小通道氣液兩相流體積平均空隙率測量方法中空隙率模型包括段塞流、泡狀流、層狀流、波狀流和環狀流空隙率模型； 設拍攝的圖像中，管道長度為#個像素，管道的直徑長度為D個像素，圖像的每個正方形像素實際邊長為# Mn,則管道的體積= 2 jxyrx(/ixD)2x/^ ； 「I ^ 五種空隙率模型如下 (4. I)微小通道段塞流空隙率模型設段塞流圖像中共有/7個氣塞，第々個氣塞的長度為Ik個像素，第k個氣塞的第i個像素處橫截面的高度為d{k，I)個像素，則採用積分的原理,整個管段內氣體的總體積&為 μ 4- I rS =ΣΣτΧ7ΓΧ^Χ￡3 (^Ρ2 ; A-I 2-1 ^ 則在管段內段塞流體積平均空隙率％_為
全文摘要
本發明公開了一種微小通道氣液兩相流空隙率測量裝置及方法，本發明先通過高速攝像機拍攝氣液兩相流圖片，然後通過差影法、中值濾波、邊緣檢測和填充氣相介質區域對拍攝的灰度圖像進行預處理，針對預處理後的二值圖像，根據流型採用相應的微小通道氣液兩相流空隙率模型進行體積平均空隙率計算；本發明為解決微小通道氣液兩相流體積平均空隙率的測量提供了一條有效的途徑；本發明的裝置具有結構簡單、非侵入性等特點；氣液兩相流空隙率模型合理、有效；適用於微小通道中段塞流、泡狀流、層狀流、波狀流和環狀流五種典型流型的體積平均空隙率的測量。
文檔編號G01N21/85GK102680203SQ20121014003
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月9日 優先權日2012年5月9日
發明者冀海峰, 姜北, 李海清, 王保良, 黃剛, 黃志堯 申請人:浙江大學