一種滑移汽泡直徑三維動態測量方法與流程

2023-05-02 01:14:41

本發明屬於實驗方法，特別涉及一種滑移汽泡直徑三維動態測量方法，用於精確測量汽泡滑移過程中汽泡直徑動態變化。

背景技術：

矩形窄縫通道內沸騰傳熱機理的研究對於採用板型燃料元件的反應堆內熱工水力系統安全性及經濟性具有意義，而滑移汽泡直徑又是沸騰傳熱機理模型建立和基準分析中所必須輸入的關鍵參數，因此有必要通過實驗手段精確測量矩形窄縫通道內滑移汽泡直徑。現有實驗往往採用高速攝像儀從正面對汽泡進行拍攝，並通過等效法計算汽泡直徑，但當汽泡受紊流擾動不斷擺動時，其測量精度不高。

本發明正是基於上述應用背景，提出一種滑移汽泡直徑三維動態測量方法，可精確測量汽泡滑移過程中汽泡直徑動態變化過程，為後續沸騰傳熱機理模型的建立提供基礎試驗數據支撐。

技術實現要素：

為了克服現有技術的上述缺點，本發明提供了一種滑移汽泡直徑三維動態測量方法，可獲得汽泡滑移過程中三維圖像數據，並精確測量汽泡滑移過程中汽泡直徑動態變化過程，為後續沸騰傳熱機理模型的建立提供基礎試驗數據支撐。

本發明解決其技術問題所採用的技術方案是：一種滑移汽泡直徑三維動態測量方法，包括如下步驟：

步驟一、利用兩臺垂直設置的高速攝像儀拍攝帶刻度的標尺，得到清晰的標尺圖像，將標尺圖像的有效像素轉變為真實物理尺寸；

步驟二、利用步驟一設置的兩臺高速攝像儀拍攝沒有汽泡時的背景圖片；

步驟三、利用步驟一設置的兩臺高速攝像儀分別從正面和側面同時對汽泡成核點位置產生的滑移汽泡進行拍攝；

步驟四、對滑移汽泡圖像進行剝離；

步驟五、對剝離後的汽泡圖像進行濾波；

步驟六、對濾波後的圖像進行二值化處理，獲得黑白圖像；

步驟七、實時計算汽泡的等效直徑。

與現有技術相比，本發明的積極效果是：

本發明通過兩臺高速攝像儀同時從正面及側面對滑移汽泡進行三維拍攝，同時利用圖像採集系統對兩臺高速攝像儀拍攝的圖像進行同步實時採集，並利用後處理軟體對採集的圖像進行實時分析及處理，可精確測量汽泡滑移過程中汽泡直徑動態變化過程，為後續滑移汽泡運動行為分析及沸騰傳熱機理模型建立奠定基礎。

採用本發明方法可獲得汽泡滑移過程中正面和側面圖像數據，可根據獲得的圖像數據得到汽泡滑移過程中汽泡直徑動態變化。可推廣應用於窄縫通道內汽泡成核及演化特性可視化實驗。

附圖說明

本發明將通過例子並參照附圖的方式說明，其中：

圖1為本發明的測量系統組成示意圖；其中，1、汽泡成核點，2、1#高速攝像儀，3、2#高速攝像儀，4、圖像採集及處理系統；

圖2為採用本發明方法獲得的滑移汽泡直徑動態變化過程圖。

具體實施方式

首先，為清晰的拍攝微小汽泡，兩臺高速攝像儀均選用微距鏡頭，優選的微距鏡頭型號為Nikon/200mmF/4D/macro。在保證能夠拍攝到汽泡生長及滑移過程的條件下，應儘可能選擇較小的像素以減小後期處理的計算量，對於Phantom V9.0高速攝像儀，優選的拍攝像素為576×288(高×寬)。

之後，通過調節1#高速攝像儀2微距鏡頭光圈，使拍攝圖像明亮，其次，調節1#高速攝像儀2微距鏡頭焦距，使1#高速攝像儀2聚焦在汽泡成核點1，此時，為保證能拍攝到汽泡生長及滑移的整個過程，通過調節1#高速攝像儀2高度使汽泡成核點1處於拍攝窗口中部合適位置，拍攝窗口頂端到底端距離為S，成核點1距底端位置為s，則s/S取值範圍為0.3-0.5，作為優選的取值為0.4。此後，將2#高速攝像儀3微距鏡頭焦距設置成和1#高速攝像儀2一致，通過調節2#高速攝像儀3位置使成核點1在拍攝窗口中的位置與1#高速攝像儀2縱向偏差不超過±10％，並可拍攝到清晰圖像。為獲得流暢的汽泡動態圖像，兩臺高速攝像儀幀數需一致，且範圍應為500-3000幀，作為優選的取值為1000幀。

此後，保持高速攝像儀焦距不變，分別用1#高速攝像儀2和2#高速攝像儀3拍攝帶刻度的標尺，得到清晰的標尺圖像。該步驟可將拍攝圖片的有效像素轉變為真實物理尺寸，其具體方法為，對標尺中1mm間隔的有效像素進行測量，結果為d，拍攝圖片中兩點之間有效像素為d1，則拍攝圖片中兩點間真實物理尺寸為d1/d mm。

將獲得的兩臺高速攝像儀有效像素與真實物理尺寸的關係輸入圖像採集及處理系統，作為汽泡直徑測量的基準。

之後，利用1#高速攝像儀2和2#高速攝像儀3分別拍攝一張沒有汽泡時的背景圖片輸入到圖像採集及處理系統4中，再採用1#高速攝像儀2和2#高速攝像儀3同時對汽泡成核點1位置產生的滑移汽泡進行拍攝，並將採集得到的圖像數據實時傳輸到圖像採集及處理系統4中。

之後，利用圖像採集及處理系統4對1#高速攝像儀2和2#高速攝像儀3拍攝的圖像進行綜合處理，其具體方法是：

首先對1#高速攝像儀2和2#高速攝像儀3拍攝的同一時刻圖像中汽泡進行剝離，其具體方法是將實驗拍攝獲得的有汽泡的圖片與背景圖片對應元素相減，所得的差為剝離後的汽泡圖像。

通常，剝離後的汽泡圖像輪廓較為粗糙，且會存在一些隨機噪點，作為優選，對剝離後的汽泡圖像進行濾波，優選的濾波方法為中值濾波，通過中值濾波可使汽泡邊緣更為光滑，且消除圖像中的噪點。

作為優選，對濾波後的圖像進行二值化處理，獲得黑白圖像。在圖像二值化處理過程中，需確定合適的閾值f，當灰度值大於閾值f時，圖像點為白色；小於閾值f時，圖像點為黑色。

針對汽泡圖像，優選的確定閾值f的方法為最大類間方差法，其計算結果理想，同時計算速度快，滿足動態測量的要求。最大類間方差法原理為：將圖像的灰度直方圖在某一閾值處分割為兩組，當這兩組的灰度值的方差最大時，分割點即為閾值。對於典型灰度圖像，假定f為第一與第二組的閾值，則此時第一組圖像點數佔圖像總像素比例為x0，平均灰度為y0，第二組圖像點數佔圖像總像素比例為x1，平均灰度為y1,則圖像總平均灰度為：

y＝x0×y0+x1×y1 (1)

則此時方差值z表達式如下：

Z＝x0×(y0-y)2+x1×(y1-y)2 (2)

對閾值f進行枚舉(灰度值範圍為0～255)，使方差值z最大的f為最優分割點。

作為實例，同一時刻1#高速攝像儀2拍攝獲得汽泡成核點正面的原始圖像及其二值化處理後的圖像，2#高速攝像儀3拍攝獲得汽泡成核點側面的原始圖像及其二值化處理後的圖像。

之後，利用圖像採集及處理系統4對處理後的圖像進行後處理，以獲得汽泡等效直徑實時變化，具體實施方法如下：

對汽泡成核點正面原始圖像二值化處理後的圖像橫向進行逐行掃描，獲得每一行最左側黑色圖像點與最右側黑色圖像點的距離Dx1,Dx2,Dx3...Dxn，取其中最大值為Dx。之後，對汽泡成核點正面原始圖像二值化處理後的圖像縱向進行逐列掃描，獲得每一列最上側黑色圖像點與最下側黑色圖像點的距離Dy1,Dy2,Dy3...Dyn，取其中最大值為Dy。

對汽泡成核點側面原始圖像二值化處理後的圖像橫向進行逐行掃描，獲得每一行最左側黑色圖像點與最右側黑色圖像點的距離Dz1,Dz2,Dz3...Dzn，其中最大值設為Dz。

則此時汽泡等效直徑Db為：

採用上述方法，對1#高速攝像儀2和2#高速攝像儀3拍攝的圖像進行實時處理，即可獲得汽泡滑移過程中汽泡直徑動態變化。

採用上述方法，獲得的典型滑移汽泡直徑動態變化過程如圖2所示，圖中時間為0的時刻為汽泡剛好開始滑移的時刻。