液膜軸向流動參數雙視角測量方法與流程
2023-05-23 14:52:41 1
本發明屬於兩相/多相流測量領域，特別涉及一種管道內(外)液膜軸向流動參數的雙視角測量方法。
背景技術：
液膜廣泛存在於石油、化工、能源、冶金、核工業等國民經濟重要的工業生產過程、系統和裝備中，是一種重要的流動形態。液膜關鍵流動參數，如液膜厚度、流速、波動狀態等的測量，是深入研究環狀流演化特性及流動機理的重要基礎，對提高傳熱傳質效率、準確計量及提高能源利用等都具有非常重要的理論意義和實用價值。管道內(外)沿管道軸向的液膜流動參數可以反映出液膜時空流動特性，是測量的關鍵參數之一。
由於平面雷射誘導螢光(PLIF)方法具有非侵入、瞬時、場測量的突出優勢，近些年來逐漸成為國內外研究液膜的前沿和熱點。典型的基於LIF的液膜參數測量方法，是在流場中溶解具有特定分子結構的螢光溶劑，片狀雷射經由管道垂直中心軸線照亮流場，採用單臺高速攝像機垂直於雷射平面拍攝，實現單一視角的軸向液膜流動參數測量。由於單臺高速攝像機視場的限制，以及液膜測量空間解析度的要求，單一視角測量對於液膜時空流動，尤其是非軸對稱液膜而言，缺失了很多必要的流動信息。而針對液膜軸向流動參數的雙視角測量，可以獲取更豐富的液膜流動形態和流動特徵，對於深入認識液膜流動結構、演化及傳熱傳質特性具有非常重要的研究意義和應用價值。
技術實現要素：
為克服現有技術的不足，本發明旨在提出一種液膜軸向流動參數的雙視角測量方法，結合雷射誘導螢光技術，實現管道內(外)軸向液膜雙視角流動信息的實時、同步獲取，以滿足不同情況下液膜豐富時空流動特徵的測量、分析與研究需要。本發明採用的技術方案是，液膜軸向流動參數雙視角測量方法，步驟是：
1)調整片狀雷射，使光平面通過圓形管道的垂直中心軸線並照亮流場，激發溶解有特定螢光溶劑的沿管道軸向的液膜產生螢光；
2)高速攝像機垂直於雷射平面，並儘量使其光軸對準管道中心，在高速攝像機前放置兩組對稱光軸分布的反射鏡組，其折光分光光路形成兩臺互成角度的虛擬攝像機，以一定交匯角分別從兩側拍攝沿管道軸向的液膜雙視角圖像；
3)對左、右虛擬攝像機攝取的軸向液膜雙視角螢光圖像進行處理，包括灰度化、差影反色、閾值分割、形態學、畸變校正、圖像融合，準確提取液膜流動參數，並對其時空流動結構和特性進行分析研究。
步驟2)進一步地，根據高速攝像機工作距以及測量需求的不同，分為以下三種情況：
(a)左虛擬攝像機拍攝管道左側的軸向液膜信息，右虛擬攝像機拍攝管道右側的軸向液膜信息；
(b)左、右虛擬攝像機同時拍攝管道左、右兩側的軸向液膜信息；
(c)左虛擬攝像機拍攝管道右側的軸向液膜信息，右虛擬攝像機拍攝管道左側的軸向液膜信息；
在實際拍攝中，根據管徑大小、工作距以及測量需求，優化高速攝像機與反射鏡組結構參數，調整如高速攝像機到管道的距離，兩側反射鏡組到中心光軸的水平距離或高速攝像機到中心反射鏡組的垂直距離，使其滿足上述條件之一的軸向液膜雙視角測量。
在滿足條件(b)時，左、右虛擬攝像機可以同時拍攝到管道兩側的軸向液膜，能夠獲取更多的液膜流動信息並進行信息的融合；條件(a)和(c)滿足不同管徑和工作距下軸向液膜雙視角測量的需要，通過結構參數調整，改變公共視場區域的位置和大小，進而滿足不同管道和測量環境的需求。
一個雙視角測量的公共視場實例中，Rmax為可測最大管道半徑，β為攝像機像面對透視中心的張角，其公共視場寬度w為：
當時，最大視場寬度wmax為：
此時可測最大管徑近似為：
由於虛擬攝像機到反射鏡組的垂直距離h1為：
h1＝h2 cosθ+d sin 2(α-γ)
為了調整方便，可以不改變鏡組之間的角度關係，即保持中心反射鏡組與攝像機光軸之間的夾角α、虛擬攝像機光軸與高速攝像機光軸之間的夾角θ、以及兩側反射鏡與中心反射鏡組的夾角γ不變，增大兩側反射鏡組到中軸線的距離d，或增大中心反射鏡組到高速攝像機的垂直距離h2，增大公共視場，進而增大公共視場內雙視角測量的最大管徑，在測量傳感器底座上開設豎直及水平調整鍵槽，兩側的反射鏡組和高速攝像機均固定在鍵槽上，並根據需要調整到不同的位置。
本發明的特點及有益效果是：
本發明方法基於單臺高速攝像機實現液膜軸向流動參數的雙視角測量，既突破了傳統單攝像機PLIF方法僅能實現單視角測量的局限性，又避免了採用兩臺高速攝像機所帶來的嚴格同步問題，降低了成本。同時，本方法能夠根據管道尺寸以及實際需求對結構參數進行優化調整，以適應不同情況下軸向液膜流動參數測量的實際需要。
附圖說明：
圖1為液膜軸向流動參數的雙視角測量示意圖(以管道內液膜為例)。
圖2為不同情況下液膜軸向流動參數的雙視角測量原理(以管道內液膜為例)。
圖3為雙視角公共視場區域及可測的最大管道外徑示意圖。
圖4為裝置設計簡易說明圖。
具體實施方式
本發明適用於管道內液膜軸向流動參數的雙視角測量，如氣液環(霧)狀流、管道內降膜等液膜流動情況下軸向流動參數的雙視角測量，同樣也適用於管道外液膜流動情況下液膜軸向流動參數的雙視角測量。
針對液膜軸向流動參數雙視角測量，本發明在傳統平面雷射誘導螢光(PLIF)技術基礎上，增加了兩組前表面反射鏡組實現光路的折光分光，在實體高速攝像機兩側形成兩臺互成角度的虛擬攝像機，對軸向液膜實現雙視角測量。根據不同管道尺寸和實際測量需求，可以對高速攝像機和反射鏡組結構參數進行調整優化，以適應不同的軸向液膜雙視角流動參數的測量需要。
具體方法如下：
1)調整片狀雷射，使光平面通過圓形管道的垂直中心軸線並照亮流場，激發溶解有特定螢光溶劑的沿管道軸向的液膜產生螢光。
2)高速攝像機垂直於雷射平面，並儘量使其光軸對準管道中心，在高速攝像機前放置兩組對稱光軸分布的反射鏡組，其折光分光光路會形成兩臺互成角度的虛擬攝像機，以一定交匯角分別從兩側拍攝沿管道軸向的液膜雙視角圖像。根據高速攝像機工作距以及測量需求的不同，可以分為以下三種情況：
(a)左虛擬攝像機拍攝管道左側的軸向液膜信息，右虛擬攝像機拍攝管道右側的軸向液膜信息；
(b)左、右虛擬攝像機同時拍攝管道左、右兩側的軸向液膜信息；
(c)左虛擬攝像機拍攝管道右側的軸向液膜信息，右虛擬攝像機拍攝管道左側的軸向液膜信息。
註：在實際拍攝中，可以根據管徑大小、工作距以及測量需求，優化高速攝像機與反射鏡組結構參數，調整如高速攝像機到管道的距離，兩側反射鏡組到中心光軸的水平距離或高速攝像機到中心反射鏡組的垂直距離等，使其滿足上述條件之一的軸向液膜雙視角測量。
一般而言，在滿足條件(b)時，左、右虛擬攝像機可以同時拍攝到管道兩側的軸向液膜，能夠獲取更多的液膜流動信息並進行信息的融合，是較為理想的拍攝狀態。條件(a)和(c)可以滿足不同管徑和工作距下軸向液膜雙視角測量的需要，通過結構參數調整，可以改變公共視場區域的位置和大小，進而滿足不同管道和測量環境的需求。
3)對左、右虛擬攝像機攝取的軸向液膜雙視角螢光圖像進行處理，如灰度化、差影反色、閾值分割、形態學、畸變校正、圖像融合等，準確提取液膜流動參數，並對其時空流動結構和特性進行分析研究。
下面結合附圖對本發明做進一步的說明。
本發明提出一種新的液膜軸向流動參數雙視角測量方法，其獨特之處在於：基於單臺高速攝像機同時獲取沿管道軸向的液膜雙視角流動信息，與傳統的單攝像機PLIF方法(僅能實現單視角測量)相比具有明顯的優越性，而相比採用兩臺高速攝像機實現雙視角測量的方法，又避免了採用兩臺高速攝像機所帶來的嚴格同步問題，降低了成本。同時，可以根據管道尺寸以及實際應用對結構參數進行優化調整，以適應不同情況下流動參數測量的需要，在兩臺虛擬攝像機公共視場區域內，可以實現雙視角軸向液膜圖像的信息融合。
圖1所示為液膜雙軸向流動參數的雙視角測量示意圖。由於被不同折射率的管道所包圍，針對管道內液膜的測量更為複雜，因此以管道內液膜流動為例。圖中圓形管道內為被螢光劑(如羅丹明B)染色後的液膜，管道外為填充有折射率匹配液的矩形方槽，以降低圓形管道對液膜拍攝圖像產生的畸變影響。片狀雷射平面通過圓形管道的垂直中心軸線並照亮流場，高速攝像機光軸通過管道中心並垂直於雷射平面拍攝。結構參數優化後的兩組反射鏡組，具體如圖2所示，經由其折光分光光路，在高速攝像機兩側各形成一臺虛擬攝像機，以一定交匯角分別從兩個視角拍攝軸向液膜圖像。
圖2所示為不同情況下液膜軸向流動參數的雙視角測量原理。如圖中所示，在高速攝像機前構建中心反射鏡組Rc及兩側反射鏡組Rsl、Rsc，對稱分布於攝像機光軸兩側，從而形成具有一定交匯角度的兩臺虛擬攝像機，分別從左、右兩個視角對軸向液膜進行同步拍攝。其中M1N1、M2N2、M3N3分別為被測管道在不同位置時被雷射片照亮的管道內徑，對應於不同工作距下的實際情況，d為兩側反射鏡Rsl或Rsc到中軸線的距離，h0為中心反射鏡組Rc到公共視場的最近距離，h1為虛擬攝像機到反射鏡組的垂直距離，h2為中心反射鏡組Rc到實體攝像機的垂直距離，hm為中心反射鏡組Rc到最大公共視場區域的垂直距離，Δh為雙視角公共視場深度，α為中心反射鏡組Rc與攝像機光軸之間的夾角，γ為兩側反射鏡Rsl、Rsc與中心反射鏡組Rc的夾角，θ為虛擬攝像機光軸與高速攝像機光軸之間的夾角。
如圖2所示，針對不同的管徑及測量需求，高速攝像機分別對應不同工作距下的三種測量情況。當管道內徑位於M1N1時，對應第一種情況，即採用左虛擬攝像機拍攝管道左側的軸向液膜信息，右虛擬攝像機拍攝管道右側的軸向液膜信息；當管道內徑位於M2N2時，對應第二種情況，即左、右虛擬攝像機均能夠同時拍攝管道左、右兩側的軸向液膜信息；當管道直徑位於M3N3時，對應第三種情況，即左虛擬攝像機拍攝管道右側的軸向液膜信息，右虛擬攝像機拍攝管道左側的軸向液膜信息。
在實際測量中，當管道內徑較小時可將其置於雙視角公共區域內，如M2N2處，此時兩臺交匯的虛擬攝像機可以同時拍攝到雙側的軸向液膜流動信息，方便進行融合與對比分析。當工作距較小時，如管道內徑位於M1N1處，此時兩臺虛擬攝像機拍攝同側的軸向液膜信息，拍攝目標距離相機較近，畫幅較大，可以從兩個視角清晰獲得較大管徑的液膜雙軸向流動信息。當工作距較大時，如管道內徑位於M3N3處，此時虛擬攝像機拍攝異側的液膜圖像，可對應更大管徑液膜軸向參數的測量。以上三種情況中，當管徑位於雙視角公共區域時能獲得更多的液膜流動信息，因此可以優化調整高速攝像機及反射鏡組的結構參數，使公共視場區域能夠適應更大管徑範圍的軸向液膜參數測量。
圖3所示為雙視角測量的公共視場區域及可測最大管徑示意圖。其中Rmax為可測最大管道半徑，β為攝像機像面對透視中心的張角，結合圖2中雙視角測量模型及光路，其公共視場寬度w為：
當時，最大視場寬度wmax為：
此時可測最大管徑近似為：
由於虛擬攝像機到反射鏡組的垂直距離h1為：
h1＝h2cosθ+dsin2(α-γ)
為了調整方便，可以不改變鏡組之間的角度關係，即保持中心反射鏡組與攝像機光軸之間的夾角α、虛擬攝像機光軸與高速攝像機光軸之間的夾角θ、以及兩側反射鏡與中心反射鏡組的夾角γ不變，增大兩側反射鏡組到中軸線的距離d，或增大中心反射鏡組到高速攝像機的垂直距離h2，這樣可以增大公共視場，進而增大公共視場內雙視角測量的最大管徑。調整示意圖如圖4所示，在測量傳感器底座上開設豎直及水平調整鍵槽，兩側的反射鏡組和高速攝像機均固定在鍵槽上，並可根據需要調整到不同的位置，無需另外加工裝置。
基於該方法可根據不同測量需要，攝取三種不同情況下軸向液膜的雙視角圖像，並通過灰度化、差影、反色、閾值分割、形態學、投影校正、融合等處理技術，提取液膜厚度、速度、波動等流動參數，為進一步研究液膜時空流動結構和流動特性提供準確定量的豐富流動信息，並為深入分析液膜演化特性及流動機理奠定堅實的基礎。