基于激光诱导荧光的液膜温度场和流场同时测量方法技术

本发明专利技术涉及两相/多相流测量领域，为实现非侵入、高精度地同步获取管道内(外)液膜的流动参数以及温度场分布，用于液膜流动特性及传热传质特性等的深入研究。本发明专利技术采用的技术方案是，基于激光诱导荧光的液膜温度场和流场同时测量方法，当溶解有荧光染色剂的液膜在管道内/外壁或平板上形成动态液膜时，通过高速相机摄取液膜荧光图像，针对摄取的同一幅荧光图像，基于高速相机标定参数，准确提取液膜荧光图像几何特征，获取包括液膜厚度、波速的流场特征；同时，基于标定过的温度‑荧光强度标定曲线、激光强度校准以及荧光强度提取方法，准确提取液液膜荧光图像亮度，获取液膜瞬时及时均温度场分布。本发明专利技术主要应用于两相/多相流测量场合。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及两相/多相流测量领域，特别涉及一种基于激光诱导荧光(PLIF)技术的液膜温度场和流场同时测量方法。
技术介绍
液膜由于其高效的传热传质特性，在化工、电子冷却、海水淡化等方面具有广泛的应用，其温度场和流场信息对于研究液膜传热性能和流动状态至关重要。如降膜蒸发器作为一种高效的蒸发设备，其原理是利用了管内竖直降膜的高效蒸发传热性质，其中蒸发传热计算对于降膜蒸发器设计、工艺流程改善以及设备评价等都具有重要的作用，而液膜厚度等流场信息以及液膜侧温度场的传热系数是必不可少的参数条件。针对液膜温度场的测量，主要有接触式和非接触式两种。接触式方法，如广泛采用的热电偶、热电阻等仅能实现点测量，且对流场和温度场会产生干扰。非接触式测温方法如辐射式、光谱式、激光干涉式等可以实现非侵入测量，获取一定区域内的温度场分布，动态响应快，但也存在一定问题，如针对管道内液膜，红外热成像(属于辐射式测温)容易受到管道表面温度的干扰，难以准确获取液膜温度场分布。针对液膜流场测量，目前主要有电学、光学、超声等测量手段。其中电导探针只能探测器附近的信号，且具有平均效应，在液膜厚度较大时，信号灵敏度会降低，即使采用多电导电极阵列也难以获得足够高的时空分辨率，超声测量对于超声波的发射频率和信噪比要求较高，且针对平板上流动的液膜更有效，极大地限制了其应用范围。因此，如何实现液膜温度场和流场的高时空分辨率、非侵入“场”测量，甚至实现液膜温度场和流场的同时测量具有非常重要的研究意义和应用价值。
技术实现思路
为克服现有技术的不足，本专利技术旨在提出一种基于平面激光诱导荧光(LIF)技术的液膜温度场和流场同时测量方法，可以非侵入、高精度地同步获取管道内(外)液膜的流动参数以及温度场分布，用于液膜流动特性及传热传质特性等的深入研究。本专利技术采用的技术方案是，基于激光诱导荧光的液膜温度场和流场同时测量方法，当溶解有荧光染色剂的液膜在管道内/外壁或平板上形成动态液膜时，通过高速相机摄取液膜荧光图像，针对摄取的同一幅荧光图像，基于高速相机标定参数，准确提取液膜荧光图像几何特征，获取包括液膜厚度、波速的流场特征；同时，基于标定过的温度-荧光强度标定曲线、激光强度校准以及荧光强度提取方法，准确提取液液膜荧光图像亮度，获取液膜瞬时及时均温度场分布。一个实例中进一步地具体步骤如下：一、对高速相机进行标定，获取相机内参矩阵，以得到图像像素与空间距离之间的准确对应关系，用于包括液膜厚度、波速在内的流场特征的测量；二、对液膜温度场进行标定，通过高速相机获取不同已知温度下液膜的荧光图像，通过图像处理和最小二乘线性拟合获取液膜温度——荧光强度线性关系；三、调整高速相机工作距，通过滤光片滤除激发光，摄取液膜荧光图像，并进行包括灰度化、差影、滤波的图像预处理；四、液膜流动特征测量(1)将预处理后的液膜荧光图像进行阈值分割，分离出液膜有效二值区域；(2)基于高速相机高精度标定参数，求取液膜流动方向上的液膜厚度特征；(3)基于摄取的液膜时空序列图像，求解液膜流动参数的时空统计特征，并基于互相关技术，获得波速、波频等液膜波动特征及流动参数。五、液膜温度的获取(1)对液膜流动方向及激光传播方向上的激光光强进行补偿校正；(2)基于预处理后的液膜荧光图像以及灰度优选平均法，提取测试窗口中的液膜荧光强度；(3)基于标定的液膜温度——荧光强度关系，获取液膜瞬时与时均温度场分布。本专利技术的特点及有益效果是：本专利技术基于平面激光诱导荧光(PLIF)技术，实现了对液膜温度场和流场的同时测量。与传统测量方式相比，该专利技术不仅可以非侵入地获取一定视场内的“场”流动特征以及温度场分布，具有很好的时空分辨率，而且通过摄取的同一幅荧光图像，可以同步提取出流场及温度场参数，准确度高，对于分析液膜流动特性及传热性质特性等具有不可比拟的优势。附图说明：图1为基于PLIF的液膜温度场和流场测量原理(以管道内液膜为例)。图2为基于PLIF的液膜温度场和流场参数测量流程图。图3为实际拍摄得到的液膜荧光图像(灰度化后)及温度场分布图。具体实施方式本专利技术适用于管道内液膜的温度场和流场同时测量，同样也适用于管道外，水平及倾斜平板液膜流的温度场和流场同时测量。平面激光诱导荧光(PLIF)技术由于其非侵入、高时空分辨率、场测量的突出优势，目前成为分析液膜及夹带等的前沿技术及热点，但一般仅用于获取流动参数和流动结构。本专利技术基于平面激光诱导荧光技术(PLIF)，实现液膜温度场和流场的同时测量。将荧光剂罗丹明B溶解于液膜中，采用532nm的激光垂于管道中心轴线照亮流场，加有滤光片的高速相机垂直于激光平面摄取液膜荧光图像，通过一系列预处理去除噪声并对液膜荧光图像进行增强。针对摄取的同一幅荧光图像，基于图像处理及高速相机标定参数，获取液膜厚度、波速等流场特征，同时，基于激光强度校准及温度-荧光强度标定曲线，提取液膜荧光强度并获取瞬时及时均温度场分布。具体方法如下：1、对高速相机进行标定，获取相机内参矩阵，以得到图像像素与空间距离之间的准确对应关系，用于液膜厚度、波速等流场特征的高精度测量；2、对液膜温度场进行标定，通过高速相机获取不同已知温度下液膜的荧光图像，通过图像处理和最小二乘线性拟合获取液膜温度——荧光强度线性关系；3、调整高速相机工作距，通过滤光片滤除激发光，摄取液膜荧光图像，并进行灰度化、差影、滤波等一系列图像预处理；4、液膜流动特征测量(1)将预处理后的液膜荧光图像进行阈值分割，分离出液膜有效二值区域；(2)基于高速相机高精度标定参数，求取液膜流动方向上的液膜厚度特征；(3)基于摄取的液膜时空序列图像，求解液膜流动参数的时空统计特征，并基于互相关技术，获得波速、波频等液膜波动特征及流动参数。5、液膜温度的获取(1)对液膜流动方向及激光传播方向上的激光光强进行补偿校正；(2)基于预处理后的液膜荧光图像以及灰度优选平均法，提取测试窗口中的液膜荧光强度；(3)基于标定的液膜温度——荧光强度关系，获取液膜瞬时与时均温度场分布；下面结合附图对本专利技术做进一步的说明。本专利技术提出了一种基于平面激光诱导荧光(PLIF)技术的液膜温度场和流场同时测量方法。其独特之处在于：采用激光诱导荧光及后续处理方法，不仅可以实现液膜厚度、波速等流场特征的高精度测量，而且可以同时获取液膜温度场分布及传热系数等，实现液膜温度场和流场的同时测量。图1所示为基于PLIF的液膜温度场和流场测量原理。测量系统主要由管道、激光器、高速相机、滤光片、计算机及处理软件等组成。以管道内流动液膜为例，管道内流动液膜溶解有荧光剂罗丹明B，激光波长为532nm，其光平面通过圆形管道的垂直中心轴线照亮流场，高速相机光轴垂直于激光平面拍摄，在高速相机前装有截止频率为570nm的滤光片以滤除杂光，有效提取液膜荧光图像特征。由于罗丹明B荧光试剂的温度敏感系数约为2％-3％/℃，对温度变化非常敏感，且吸收光谱和发射光谱具有明显的不重叠区域，通过同时辨识滤除了激发光的液膜荧光图像几何形态与亮度特征，可以实现液膜温度场分布及液膜厚度、波速等流场特征的高精度、同步测量。具体测量流程如图2所示。对液膜温度场和流场特征进行测量前，首先对高速相机进行标定，并获取液膜的温度—荧光强度曲线用以标定温度场本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于激光诱导荧光的液膜温度场和流场同时测量方法，其特征是，当溶解有荧光染色剂的液膜在管道内/外壁或平板上形成动态液膜时，通过高速相机摄取液膜荧光图像，针对摄取的同一幅荧光图像，基于高速相机标定参数，准确提取液膜荧光图像几何特征，获取包括液膜厚度、波速的流场特征；同时，基于标定过的温度‑荧光强度标定曲线、激光强度校准以及荧光强度提取方法，准确提取液液膜荧光图像亮度，获取液膜瞬时及时均温度场分布。

【技术特征摘要】
1.一种基于激光诱导荧光的液膜温度场和流场同时测量方法，其特征是，当溶解有荧光染色剂的液膜在管道内/外壁或平板上形成动态液膜时，通过高速相机摄取液膜荧光图像，针对摄取的同一幅荧光图像，基于高速相机标定参数，准确提取液膜荧光图像几何特征，获取包括液膜厚度、波速的流场特征；同时，基于标定过的温度-荧光强度标定曲线、激光强度校准以及荧光强度提取方法，准确提取液液膜荧光图像亮度，获取液膜瞬时及时均温度场分布。2.如权利要求1所述的基于激光诱导荧光的液膜温度场和流场同时测量方法，其特征是，一个实例中进一步地具体步骤如下：一、对高速相机进行标定，获取相机内参矩阵，以得到图像像素与空间距离之间的准确对应关系，用于包括液膜厚度、波速在内的流场特征的测量；二、对液膜温度场进行标定，通过高速相机获取不同已知温...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛婷，吴斌，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12