測量氣固兩相流中固體顆粒三維濃度場、速度場的方法和裝置的製作方法

2023-04-22 22:41:06

專利名稱：測量氣固兩相流中固體顆粒三維濃度場、速度場的方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及氣固兩相流體三維運動特性分析技術，具體涉及一種測量氣固兩相流中固體顆粒三維濃度場、速度場的方法和裝置。
背景技術：
對氣固兩相流的研究是湍流研究領域中重要而前沿的課題，目前對於氣固兩相流中固體粒顆粒運動軌跡的一個主要研究方向是兩相流測試技術，其中粒子圖像測速PIV技術以及DPIV技術由於非接觸全場測量、原理簡單、實現方便等優點而受到廣泛的應用與研究。但以上技術一般均採用片光源和單鏡頭攝影系統，只能得到兩相流中固體粒子三維運動的二維投影圖像，缺乏立體感，因而只能用於二維流場或者三維流場中某一斷面粒子運動特徵的研究。為了得到真實的三維運動圖像，可以採用多個相機，從不同角度拍攝，該方法問題是系統複雜、設備投資大，不同相機之間同步性難以掌握，多相機系統參數無法固定，應用此方法重建粒子的三維空間運動軌跡有很大的困難。

發明內容
本發明的目的在於提供一種使用雙視角立體鏡和單個高速攝影機組成的高速立體視覺系統分析、測量氣固兩相流中固體顆粒三維濃度場、速度場的方法和裝置。
本發明解決其技術問題所採用的技術方案是一、一種測量氣固兩相流中固體顆粒三維濃度場、速度場的方法將粒子流發射管放置在由雙視角立體鏡和高速攝影機組成的高速立體視覺系統前，射流粒子經過雙視角立體鏡鏡面折射，單個高速攝影機靶面可同時獲得兩個不同角度的粒子流圖像，圖像輸入計算機後，由模式識別算法程序和三維逆向投影算法程序組成的程序模塊對一幅粒子立體圖像進行處理，得到粒子的瞬態三維濃度場，程序模塊處理一系列微秒級時序變化粒子圖像，得到粒子三維運動軌跡以及三維速度場。
二、一種測量氣固兩相流中固體顆粒三維濃度場、速度場的裝置分為硬體系統和軟體系統兩個部分，硬體系統主要包括三個部分固定於高速攝影機鏡頭前的雙視角立體鏡、用於採集圖像的高速攝影機和對圖像進行處理的後臺計算機，所述的雙視角立體鏡由四片平面反射鏡按如下方法放置排列，即第一平面鏡、第二平面鏡、第三平面鏡和第四平面鏡自左至右依次排列，第一平面鏡和第二平面鏡平行排列，第三平面鏡和第四平面鏡平行排列，第一平面鏡和第二平面鏡與第三平面鏡和第四平面鏡兩者對稱放置，第二平面鏡與第三平面鏡之間的夾角為90度，四片平面反射鏡鏡片固定在鏡架上，雙視角立體鏡整體固定在攝影機鏡頭上；軟體系統採用Visual Studio 6.0和MATLAB編程軟體開發。
本發明具有的有益效果是單個高速攝影機靶面上同時獲取兩個不同角度的粒子圖像、通過粒子模式識別技術和逆向投影算法得到流場中粒子的三維坐標是分析氣固兩相流的最佳方案。此方法有以下優點1.使用單相機系統同時獲取不同角度粒子運動圖像，克服了多相機系統結構複雜、同步性差的問題。
2.單相機系統穩定，對粒子三維運動軌跡的重建計算提供穩定的參數。
3.基於亞象素擬合的高精度粒子模式識別算法大大提高了不同角度圖像中對應兩相粒子的識別精度，通過兩個不同角度逆向投影面的交匯，可以得到圖像中粒子的三維坐標。
4.結合微秒級時序坐標變化，可以對兩相流中粒子的三維速度場、濃度場進行分析研究。


圖1是高速立體視覺系統結構示意圖。
圖2是雙視角立體鏡光路圖。
圖3是雙視角立體鏡結構主視圖。
圖4是圖3仰視圖。
圖5是圖像處理軟體系統流程圖。
圖中1、粒子流發射管，2、雙視角立體鏡，3、高速攝影機，4、平面反射鏡，5、平面反射鏡，6、平面反射鏡，7、平面反射鏡，8、鏡頭，9、靶面，10、鏡架，11、雙視角立體鏡透光孔。
具體實施例方式
如圖1、圖2、圖3、圖4所示，本發明分為硬體系統和軟體系統兩個部分，硬體系統主要包括三個部分固定於高速攝影機鏡頭前的雙視角立體鏡2、用於採集圖像的高速攝影機3和對圖像進行處理的後臺計算機，所述的雙視角立體鏡2由四片平面反射鏡按如下方法放置排列，即第一平面鏡4、第二平面鏡5、第三平面鏡6和第四平面鏡7自左至右依次排列，第一平面鏡4和第二平面鏡5平行排列，第三平面鏡6和第四平面鏡7平行排列，第一平面鏡4和第二平面鏡5與第三平面鏡6和第四平面鏡7兩者對稱放置，第二平面鏡5與第三平面鏡6之間的夾角為90度，四片平面反射鏡鏡片固定在鏡架10上，雙視角立體鏡整體固定在攝影機鏡頭上；軟體系統採用Visual Studio 6.0和MATLAB編程軟體開發。
如圖1、圖2、圖3、圖4所示，應用立體視覺系統拍攝粒子射流，雙視角立體鏡2水平固定在高速攝影機3鏡頭前。高速立體視覺系統的軟體系統流程圖如圖5所示。首先使用標準網格圖像和基於MATLAB平臺開發的CCD參數標定算法建立CCD成像光路模型，獲取CCD光學投影矩陣。之後，使用高速立體視覺系統拍攝粒子射流，射流粒子經過圖2所示的四個平面反射鏡4、5、6、7所組成的雙視角立體鏡2光路，通過鏡架10上的雙視角立體鏡的透光孔11及鏡頭8，在攝影機CCD靶面9上投影得到兩個不同角度的立體圖像即雙視角粒子運動圖像，圖像傳入計算機，在得到CCD光學投影矩陣的基礎上，對單視角粒子運動圖像進行處理，可以得到粒子的二維圖像歸一化坐標。使用基於VisualStudio 6.0平臺開發的亞像素模式識別算法對雙視角粒子運動圖像進行處理，結合已得到的光學投影模型計算出粒子的三維徑深即粒子在三維空間中的深度信息。在獲得粒子的二維圖像歸一化坐標和其三維徑深信息後，使用基於VisualStudio 6.0平臺開發的逆向投影算法，計算得到粒子三維坐標。結合微秒級粒子圖像序列，可以重建粒子的三維運動軌跡，獲得粒子的三維速度場，以及粒子團的濃度場變化。
權利要求
1.一種測量氣固兩相流中固體顆粒三維濃度場、速度場的方法，其特徵在於將粒子流發射管放置在由雙視角立體鏡和高速攝影機組成的高速立體視覺系統前，射流粒子經過雙視角立體鏡鏡面折射，單個高速攝影機靶面可同時獲得兩個不同角度的粒子流圖像，圖像輸入計算機後，由模式識別算法程序和三維逆向投影算法程序組成的程序模塊對一幅粒子立體圖像進行處理，得到粒子的瞬態三維濃度場，程序模塊處理一系列微秒級時序變化粒子圖像，得到粒子三維運動軌跡以及三維速度場。
2.用於權利要求1所述方法的一種測量氣固兩相流中固體顆粒三維濃度場、速度場的裝置，其特徵在於分為硬體系統和軟體系統兩個部分，硬體系統主要包括三個部分固定於高速攝影機鏡頭前的雙視角立體鏡(2)、用於採集圖像的高速攝影機(3)和對圖像進行處理的後臺計算機，所述的雙視角立體鏡(2)由四片平面反射鏡按如下方法放置排列，即第一平面鏡(4)、第二平面鏡(5)、第三平面鏡(6)和第四平面鏡(7)自左至右依次排列，第一平面鏡(4)和第二平面鏡(5)平行排列，第三平面鏡(6)和第四平面鏡(7)平行排列，第一平面鏡(4)和第二平面鏡(5)與第三平面鏡(6)和第四平面鏡(7)兩者對稱放置，第二平面鏡(5)與第三平面鏡(6)之間的夾角為90度，四片平面反射鏡鏡片固定在鏡架(10)上，雙視角立體鏡整體固定在攝影機鏡頭上；軟體系統採用Visual Studio 6.0和MATLAB編程軟體開發。
全文摘要
本發明公開了一種測量氣固兩相流中固體顆粒三維濃度場、速度場的方法和裝置。將粒子流發射管放置在由雙視角立體鏡和高速攝影機組成的高速立體視覺系統前，射流粒子經過雙視角立體鏡鏡面折射，單個高速攝影機靶面可同時獲得兩個不同角度的粒子流圖像，圖像輸入計算機後，由模式識別算法程序和三維逆向投影算法程序組成的程序模塊對一幅粒子立體圖像進行處理，得到粒子的瞬態三維濃度場，程序模塊處理一系列微秒級時序變化粒子圖像，得到粒子三維運動軌跡以及三維速度場。使用單相機系統穩定，克服了多相機系統結構複雜、同步性差的問題。
文檔編號G01P5/18GK101082561SQ20071006986
公開日2007年12月5日 申請日期2007年7月3日 優先權日2007年7月3日
發明者岑可法, 黃群星, 王飛, 嚴建華, 池湧 申請人:浙江大學