多相浮射流实验发生装置及油滴气泡阴影图像处理方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种多相浮射流实验发生装置及油滴气泡阴影图像处理方法，该装置包括油气多相浮射流模拟系统和量测系统。油滴气泡阴影图像处理方法通过阴影图像获取油滴、气泡运动信息，对于离散相液滴目标的图像处理，运用边缘曲率分割实现重叠目标的分离定位，运用分组识别提高目标识别效率，运用目标灰度统计信息差异区分油滴以及气泡，并利用相邻两帧图像匹配分析计算油滴和气泡的运动速度。综上，本发明专利技术可控制油气比例以及分散在水体中油滴、气泡的大小，并实现对水体、油滴、气泡各相运动的同时测量，可用于研究油气多相浮射流的内部结构及其输移扩散规律，为相关水下溢油污染评估等实际问题提供理论支持。

Multiphase floating jet experimental device and image processing method of oil droplet bubble shadow

The invention relates to a multiphase floating jet experimental generating device and an image processing method of oil droplet bubble shadow, which comprises a multiphase floating jet simulation system and a measurement system. Oil droplet bubble shadow image processing method obtains the movement information of oil droplets and bubbles through the shadow image. For the image processing of discrete phase droplet targets, the edge curvature segmentation is used to separate and locate overlapping targets, and the grouping recognition is used to improve the efficiency of target recognition. The motion velocity of droplets and bubbles is calculated by matching analysis of two adjacent frames. In summary, the invention can control the proportion of oil and gas and the size of oil droplets and bubbles dispersed in the water body, and simultaneously measure the movement of water body, oil droplets and bubbles. It can be used to study the internal structure of oil and Gas Multiphase floating jets and the law of their migration and diffusion, and provide theoretical support for practical problems such as the evaluation of underwater oil spill pollution. Hold.

【技术实现步骤摘要】
多相浮射流实验发生装置及油滴气泡阴影图像处理方法
本专利技术涉及一种多相浮射流实验发生装置及油滴气泡阴影图像处理方法，属于环境模拟实验设备

技术介绍
多相浮射流研究在水环境领域有着广泛背景，包括海底井喷溢油在水体中的输移扩散问题、气泡羽流用于加强水体掺混问题、疏浚抛泥抛沙问题等。以海底井喷溢油为例，井喷溢油的水下过程主要表现为油气混合物形成的复杂多相浮射流，其分散相为不同大小的油滴、气泡，连续相为海水。分散相的油滴、气泡与连续相的水体之间存在滑移速度，使其与温排水浮射流等单相浮射流之间存在明显差异。特别是在垂向密度分层或横流环境中，不同大小的油滴、气泡会出现显著的分离，从而导致其在流动结构和动力特征上表现出不同于单向浮射流的现象。由于密度不同、大小不同，滑移速度差异较大的油滴、气泡在浮射流中运动轨迹和分布特征也会有较大不同。研究不同物理性质物质形成的多相浮射流的内部结构及其在垂向密度分层等环境中演化规律，才能对井喷泄漏物中不同组分在水体中的分布情况以及最终到达海面的情况进行准确预测。目前，对于由于温度或浓度差形成单相浮射流的实验研究已有较成熟的方法和设备。而多相浮射流的实验相对难以观测，相关研究开展相对较少。仅有一些针对气泡浮射流的实验装置，也都没有考虑控制产生不同大小气泡的比例以及油气共存的情况。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的是提供一种能够准确获知油气多相浮射流内部结构及其中物质的输移扩散规律的多相浮射流实验发生装置及油滴气泡阴影图像处理方法，可控制油气比例以及分散在水体中油滴、气泡的大小，并能够实现对水体、油滴以及气泡各相运动的同时测量。为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案：一种多相浮射流实验发生装置，其特征在于，该装置包括油气多相浮射流模拟系统和量测系统；所述油气多相浮射流模拟系统包括安置于测量区域水体内的多相浮射流发生装置，所述多相浮射流发生装置的进气口通过气管连接空气泵，所述多相浮射流发生装置的进油口通过油管连接储油罐，所述油路上依次设置有阀门和蠕动泵；所述测量系统包括设置在所述测量区域水体背面的LED灯阵列、设置在测量区域水体一侧的激光器、同步器、第一相机、第二相机和计算机；所述激光器产生激光照射加入流场荧光示踪粒子的测量区域水体，经测量区域水体出射的一部分光滤波后由所述第一相机采集油滴气泡阴影图像，经测量区域水体出射的另一部分光滤波后由所述第二相机采集荧光粒子图像，所述第一相机和第二相机将采集的图像发送到所述计算机，所述计算机对油滴气泡阴影图像进行处理完成对油滴以及气泡各相运动特征提取，所述计算机对荧光粒子图像进行处理完成水体特征提取；其中，所述LED灯列阵由LED控制器进行控制，所述激光器由激光控制器进行控制，所述激光控制器连接所述同步器，所述计算机通过控制所述同步器使得所述第一相机和第二相机同时进行图像采集。进一步地，所述多相浮射流发生装置包括支架、管体分布盘、气体分流器和液体分流器；所述支架顶部固定设置所述管体分布盘，所述管体分布盘上间隔均匀交叉设置有不同孔径的若干出气管和出油管，所有所述出气管的底部开口均通过支路气管连接所述气体分流器的出气口，所述气体分流器的进气口连接所述气管的进气口，所有所述出油管的进油口均通过支路油管连接所述液体分离器的出油口，所述液体分流器的进油口连接所述油管的出油口，所有所述出气管以及出油管的顶部开口构成所述多相浮射流发生装置的喷口。进一步地，所述出气管和出油管均采用针管。进一步地，所述LED灯阵列的发光波段为620～645nm。进一步地，所述气管上设置有气体流量计。为实现上述目的，本专利技术还采取以下技术方案：一种油滴气泡阴影图像处理方法，其特征在于包括以内容：1)将原始油滴气泡阴影图像通过滤波消除背景干扰处理，将滤波消除背景干扰的图像进行二值化处理得到二值数字图像；2)将二值数字图像分成独立目标和重叠目标；分别计算每个独立目标的质心，得到独立目标的质心信息；计算重叠目标边缘点的曲率，根据曲率变化极值点分割成几个分离目标，分别计算每个分离目标的质心，得到分离目标的质心信息；3)将独立目标的质心信息和分离目标的质心信息合并得到所有目标的质心信息，分别计算图像中每个目标的灰度平均值，完成油滴以及气泡各相运动特征提取。进一步地，将二值数字图像分成独立目标和重叠目标，具体为：计算二值数字图像中各目标的直径和长短轴比，满足直径和长短轴比均小于阈值条件的为独立目标，仅包含一个气泡或油滴，得到独立目标；不满足条件的为重叠目标，包含多个气泡和油滴，得到重叠目标。进一步地，分别计算图像中每个目标的灰度平均值，完成油滴以及气泡各相运动特征提取，具体为：平均灰度小于指定阈值的目标为油滴，得到油滴特征图像；平均灰度大于指定阈值的目标为气泡，得到气泡特征图像；根据相邻两帧图像的气泡位置，得到气泡速度图像；根据相邻两帧图像的油滴位置，得到油滴速度图像。本专利技术由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本专利技术提出了具有可调节油气比例以及油滴气泡大小的多相浮射流实验发生装置，该装置通过独立控制流量的油供给管路和气体供给管路实现油气比例的调节、通过可以替换的针管出口控制油滴气泡大小，该装置喷口由出气孔和出油孔均匀交叉构成，不同孔径可产生不同大小的油滴以及气泡。2、本专利技术提出的油滴气泡阴影图像处理方法通过阴影图像获取油滴、气泡运动信息，对于离散相液滴目标的图像处理，运用边缘曲率分割实现重叠目标的分离定位，运用分组识别提高目标识别效率，运用目标灰度统计信息差异区分油滴以及气泡，并利用相邻两帧图像匹配分析计算油滴和气泡的运动速度。综上，本专利技术可控制油气比例以及分散在水体中油滴、气泡的大小，并实现对水体、油滴以及气泡各相运动的同时测量，可用于研究油气多相浮射流的内部结构及其输移扩散规律，为相关水下溢油污染评估等实际问题提供理论支持。附图说明图1为本专利技术多相浮射流模拟系统的结构示意图；图2为本专利技术多相浮射流发生装置的结构示意图；图3为本专利技术多相浮射流发生装置的喷口布局示意图；图4为本专利技术量测系统的结构示意图；图5为本专利技术油滴气泡阴影图像处理方法的流程示意图；附图标记：1多相浮射流发生装置、2空气泵、3储油罐、4蠕动泵、5气管、6气体流量计、7油管、8阀门、9红光LED灯阵列、10LED控制器、11激光器、12激光控制器、13同步器、14分光器、15第一相机、16第二相机以及17计算机；1-1支架、1-2针管分布盘、1-3出气针管、1-4出油针管、1-5气体分流器以及1-6液体分流器。具体实施方式以下结合附图来对本专利技术进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本专利技术，它们不应该理解成对本专利技术的限制。在本专利技术的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅仅是用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。本专利技术提供的多相浮射流实验发生装置包括油气多相浮射流模拟系统和量测系统。如图1所示，多相浮射流模拟系统包括多相浮射流发生装置1、空气泵2、储油罐3和蠕动泵4。多相浮射流发生装置1安置于测量区域水体底部，其中，测量区域水体可以放置于有机玻璃水箱内或造流水槽内，其中，有机玻璃水箱的水体可模拟密度均匀水体、垂向密度分层水体环境，造流水槽内的水体可模拟水平横流环境本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多相浮射流实验发生装置，其特征在于，该装置包括油气多相浮射流模拟系统和量测系统；所述油气多相浮射流模拟系统包括安置于测量区域水体内的多相浮射流发生装置，所述多相浮射流发生装置的进气口通过气管连接空气泵，所述多相浮射流发生装置的进油口通过油管连接储油罐，所述油路上依次设置有阀门和蠕动泵；所述测量系统包括设置在所述测量区域水体背面的LED灯阵列、设置在测量区域水体一侧的激光器、同步器、第一相机、第二相机和计算机；所述激光器产生激光照射加入流场荧光示踪粒子的测量区域水体，经测量区域水体出射的一部分光滤波后由所述第一相机采集油滴气泡阴影图像，经测量区域水体出射的另一部分光滤波后由所述第二相机采集荧光粒子图像，所述第一相机和第二相机将采集的图像发送到所述计算机，所述计算机对油滴气泡阴影图像进行处理完成对油滴以及气泡各相运动特征提取，所述计算机对荧光粒子图像进行处理完成水体特征提取；其中，所述LED灯列阵由LED控制器进行控制，所述激光器由激光控制器进行控制，所述激光控制器连接所述同步器，所述计算机通过控制所述同步器使得所述第一相机和第二相机同时进行图像采集。

【技术特征摘要】
1.一种多相浮射流实验发生装置，其特征在于，该装置包括油气多相浮射流模拟系统和量测系统；所述油气多相浮射流模拟系统包括安置于测量区域水体内的多相浮射流发生装置，所述多相浮射流发生装置的进气口通过气管连接空气泵，所述多相浮射流发生装置的进油口通过油管连接储油罐，所述油路上依次设置有阀门和蠕动泵；所述测量系统包括设置在所述测量区域水体背面的LED灯阵列、设置在测量区域水体一侧的激光器、同步器、第一相机、第二相机和计算机；所述激光器产生激光照射加入流场荧光示踪粒子的测量区域水体，经测量区域水体出射的一部分光滤波后由所述第一相机采集油滴气泡阴影图像，经测量区域水体出射的另一部分光滤波后由所述第二相机采集荧光粒子图像，所述第一相机和第二相机将采集的图像发送到所述计算机，所述计算机对油滴气泡阴影图像进行处理完成对油滴以及气泡各相运动特征提取，所述计算机对荧光粒子图像进行处理完成水体特征提取；其中，所述LED灯列阵由LED控制器进行控制，所述激光器由激光控制器进行控制，所述激光控制器连接所述同步器，所述计算机通过控制所述同步器使得所述第一相机和第二相机同时进行图像采集。2.如权利要求1所述的多相浮射流实验发生装置，其特征在于，所述多相浮射流发生装置包括支架、管体分布盘、气体分流器和液体分流器；所述支架顶部固定设置所述管体分布盘，所述管体分布盘上间隔均匀交叉设置有不同孔径的若干出气管和出油管，所有所述出气管的底部开口均通过支路气管连接所述气体分流器的出气口，所述气体分流器的进气口连接所述气管的进气口，所有所述出油管的进油口均通过支路油管连接所述液体分离器的出油口，所述液体分流器的进油口连接所述油管的出油口，所有所述出气管以及出油管的顶部开口构成所...

【专利技术属性】
技术研发人员：牛小静，周豪杰，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11