气液两相流气泡与液滴尺寸分布数字图像测量技术研究

论文摘要

气液两相流广泛存在和应用于能源、化工、石油、制冷、航空航天、环境保护、生命科学等许多领域。气泡和液滴作为气液两相流中的重要组成对象,决定了气液相接触面积以及相间传质和传热,进而直接影响工业反应的速率,因此气泡与液滴参数测量对于过程控制及气液两相流系统优化具有十分重要的意义。本文提出一种基于数字图像处理技术的气泡与液滴尺寸分布测量方法,并将其应用于鼓泡床气泡特性和燃油雾化液滴分布特性试验研究中,实验验证了数字图像处理技术的有效性。首先,介绍了稀疏气泡的图像滤波、图像增强、二值化、数字形态学等图像预处理方法,比较了不同图像滤波方法、图像增强方法、二值化方法的效果,最后确定了采用中值滤波、图像线性变换增强、大津法二值化、Canny算法边缘提取的技术路线,获得了气泡形状特征参数。针对气泡识别过程中密集气泡易发生重叠的问题,提出了基于曲率计算的凹点匹配与圆周拟合的重叠气泡分割与轮廓重构算法,得到气泡分割后的重构图像,减少了重叠气泡的测量误差。其次,搭建了鼓泡床气泡试验系统,开展了鼓泡床气泡尺寸分布特性研究,利用基于曲率计算的凹点匹配与圆周拟合的重叠气泡分割与轮廓重构算法分析了气泡的尺寸分布规律。结果表明:该算法不仅能够有效地从图像中提取轮廓清晰完整的气泡,而且能够对图像粘连重叠的气泡进行准确分割,进而获得气泡尺寸分布。分析了气泡尺寸随气体流量的变化规律。结果表明,随着气体流量的增加,小气泡的数量急剧增加,同时产生更大的气泡;气泡的最大直径和Sauter平均直径都随着气体流量的增加而增大。然后,搭建了转杯式燃烧器燃油雾化特性试验台,结合雾化液滴尺寸分布数字图像测量技术,开展了转杯式雾化喷嘴的燃油雾化特性实验研究,分析了一次风量、转杯转速、燃油量等参数对燃油雾化粒径的影响。试验结果表明:燃油雾化场中,燃油液滴尺寸在远离喷嘴的过程中呈现先减小后增大的趋势,雾化油滴总体在小尺寸范围内分布均匀;燃油液滴尺寸随转杯转速、一次风量的增大而减小。最后,在MATLAB/GUI的平台上,设计开发了颗粒(气泡和液滴)粒径分布图像测量技术可视化操作界面,该软件具备了以下功能:一是图像预处理功能,可实现对颗粒图像的增强;二是集成图像粒度分析算法实现颗粒粒径分布统计测量;三是图像批量处理功能,可对不同尺度范围的颗粒分别给出分布结果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 课题研究背景及意义
•   1.2 两相流参数测量技术研究现状综述
•     1.2.1 过程层析成像技术
•     1.2.2 激光多普勒技术
•     1.2.3 光纤技术
•     1.2.4 数字图像处理技术
•   1.3 数字图像处理技术在两相流参数测量中的应用
•   1.4 论文研究的内容
• 第二章 气液两相流气泡与液滴数字图像测量技术
•   2.1 数字图像的预处理
•     2.1.1 图像滤波
•     2.1.2 图像的减法运算
•     2.1.3 图像增强
•     2.1.4 图像的二值化
•   2.2 数字图像的形态学处理
•     2.2.1 边缘检测
•     2.2.2 腐蚀膨胀
•     2.2.3 孔洞填充
•   2.3 重叠图像的分割
•     2.3.1 基于分水岭的重叠图像分割方法
•     2.3.2 基于形态学方法的重叠图像分割方法
•     2.3.3 基于凹点匹配的重叠图像分割方法
•   2.4 图像特征提取
•     2.4.1 气泡的标记
•     2.4.2 气泡参数的统计
•   2.5 本章小结
• 第三章 气液鼓泡床中气泡参数的图像测量技术研究
•   3.1 模拟鼓泡塔两相流参数测量系统
•     3.1.1 流体控制系统
•     3.1.2 摄像系统
•     3.1.3 像素尺寸标定
•   3.2 重叠气泡分割与轮廓重构算法
•     3.2.1 气泡图像预处理与轮廓提取
•     3.2.2 重叠气泡凹点搜寻与图像分割
•     3.2.3 基于最小二乘圆周拟合法气泡轮廓重构
•   3.3 气泡粒径分布及含气率测量
•   3.4 本章小结
• 第四章 转杯式燃烧器雾化参数图像测量技术研究
•   4.1 转杯式燃烧器试验装置
•     4.1.1 燃烧器和控制系统
•     4.1.2 雾化室和排气系统
•     4.1.3 雾化特性图像测量系统
•   4.2 实验工况的设定及雾化液滴尺寸分布测量
•     4.2.1 实验工况的设定
•     4.2.2 图像处理过程
•   4.3 雾化特性参数的影响因素分析
•     4.3.1 燃油量对雾化特性的影响
•     4.3.2 一次风量对雾化特性的影响
•     4.3.3 转杯转速对雾化特性的影响
•   4.4 本章小结
• 第五章 数字图像法测量颗粒粒径分布应用软件设计
•   5.1 图形界面设计工具MATLAB/GUI
•     5.1.1 MATLAB/GUI介绍
•     5.1.2 GUI设计原则与设计流程
•   5.2 颗粒粒径分布应用软件的界面实现
•   5.3 本章小结
• 第六章 总结与展望
•   6.1 总结
•   6.2 展望
• 参考文献
• 作者简介
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 潘志成

导师: 许传龙

关键词: 气液两相流,颗粒尺寸分布,数字图像处理,雾化,鼓泡床

来源: 东南大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 力学,计算机软件及计算机应用

单位: 东南大学

基金: 国家自然科学基金资助项目(51676044),中国科学院低碳转化科学与工程重点实验室开放课题(KLLCCSE-201703,SARI,CAS)

分类号: O359;TP391.41

DOI: 10.27014/d.cnki.gdnau.2019.004389

总页数: 79

文件大小: 5291k

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