一种基于改进型0‑1测试的底吹炉水模型混沌状态表征方法技术

本发明专利技术公开一种基于改进型0‑1测试理论的底吹水模型混沌状态表征方法，属于冶金、能源等工程技术领域；本发明专利技术方法建立在数字图像处理技术和0‑1测试理论上，用Kc中值来表征底吹水模型混沌状态，主要应用于底吹炉水模型中气‑液混合状态的研究；该方法简单方便易于实施，且具有很高的实用价值，对化工、冶金设备中原材料混合的混沌状态判断，提供了一种可靠实用的方法。

【技术实现步骤摘要】
一种基于改进型0-1测试的底吹炉水模型混沌状态表征方法
本专利技术涉及一种基于改进型0-1测试的底吹炉水模型混沌状态表征方法，属于冶金能源工程

技术介绍
无论是底吹，顶吹还是侧吹，都属于气体喷吹搅拌，而在气体喷吹搅拌下水模型何时进入混沌状态的研究一直都是个难题。在底吹水模型的实验条件下，由单个气泡的形成、生长、脱离和运动等微观现象，发展成为以第一维贝蒂数即气泡个数为宏观评价混沌程度的准则。目前，针对混沌识别常用的方法有基于相空间重构的关联维数法、最大Lyapunov指数、替代数据和Kolmogorov熵等。由于缺乏客观衡量相空间重构的准则，相空间重构的技术也不够成熟，关联维数是否饱和的评判准则不够客观等因素，所以实际应用中较少使用相空间重构的关联维数法；最大Lyapunov指数的计算需建立在相空间的重构的基础上，求最大Lyapunov指数来识别水模型状态是否进入混沌的困难较大；在获得图像的时候难以避免有噪声的存在，即获得的贝蒂数时间序列混有噪声，如此，贝蒂数时间序列受噪声和数据长度的影响，使得流体是否进入混沌的判断不够精确。基于上述描述，常用的混沌识别方法均缺乏一个客观的指标来度量相空间重构的效果。因此，必须寻找一种不依赖于相空间重构而且判剧相对客观明确的贝蒂数序列的混沌特征判断方法。
技术实现思路
本专利技术提供一种具有较高使用价值的、简便可行的基于改进型0-1测试的底吹水模型混沌表征方法，具体包括以下步骤：(1)通过底吹水模型实验的进行，用高速摄像机获取底吹水模型实验过程中气泡群行为的实时图样并保存下来；并利用数字图像处理技术获得只有背景和目标的待处理图样；将待处理图样中的目标作为研究对象；并且每个时刻t对应一张流型图；(2)将原始流型图像变为灰度图像，再经二值化的数字图像处理，最终得到流型图，对应于一个M行N列的数字矩阵，M、N取正整数，其中矩阵元素要么为1，要么为0，其中1代表白色气泡，2代表黑色背景，即为黑白矩阵或者黑白流程图；(3)借助CHomP软件对黑白流型图计算二值化后的第零维贝蒂数β0和第一维贝蒂数β1，β0指的是区域中块的个数，β1表示的是图像中洞的个数；图样中块的个数足够多，那多相混合的效果足够好，即β0越大，多相混合越均匀。(4)每张图像可分别得到一个β0和β1，取时间序列的长度为K，分别得到K个β0和β1，基于改进型0-1测试方法中的关联方法求Kc中值对气液两相流混沌状态进行表征，改进型0-1测试中，β0离散时间序列为(n为变量，n∈[1,K])，β0离散时间序列的局部极值为ω(m)(m为极值的个数，m∈[1,K])，需引入平均平方位移(MSD)为：这里，ω(i)(i＝1,2,…,m.)是一个集合P，基于独立于采样周期的c∈(0,π)，利用上述方法求平均平方位移，计算引入平均平方位移(MSD)是为了确定pc和qc的增长，要求1＜＜m＜＜K，其中(5)基于0-1测试方法中的关联方法求改进0-1测试中关联方法的Kc中值对气液两相流混沌状态进行表征，上述得到的pc(m),qc(m)，Mc(m)均由β0时间序列得到的过程变量，然后求得对应的Kc数值，这里利用关联方法定义渐进增长率Kc(Kc∈[-1,1])公式为：这里，向量ξ＝(1,2,…,m)，Δ＝(Mc(1),Mc(2),…,Mc(m))。(6)通过计算β0时间序列的Kc中值接近于0或1确定时间序列的混沌特性，Kc中值接近于0表示该时间序列不具有混沌特性，而Kc中值接近于1表示该时间序列具有混沌特性。本专利技术步骤(1)中获取底吹水模型气泡群混合过程中连续的实时图样并保存下来，并利用数字图像处理技术获得只有背景和目标的待处理图样；此过程为常规方法，例如现有技术中利用高速摄像机来获得多相混合过程中连续的搅拌实时视频；利用视频软件KMPlayer将视频转换为实时图样保存下来，视频记录的帧数在每秒1～50帧。所述步骤(2)中二值化阈值是通过自适应获取的。本专利技术的有益效果是：本专利技术所述方法是基于数字图像处理技术和0-1测试理论中关联方法求Kc中值来表征底吹水模型的混沌程度，主要为提高ISA炉使用寿命、强化ISA炉冶炼生产以及优化ISA炉工艺过程提供了一定的实验参考；该方法简单方便，且具有很高的实用价值，对化工、冶金设备中衡量搅拌物料的混沌混合程度、指导化学反应器的设计，提供了一种可靠实用的方法。解决了关联维数法、最大Lyapunov指数和Kolmogorov熵等方法的不足之处；可以减少化学反应器由于不合理的设计造成的经济损失。附图说明图1为本专利技术的实验搭载图；图2为本专利技术的工况四中一张图片的灰度图；图3为本专利技术的工况四中一张图片的二值化图；图4为本专利技术的工况四中时序β1时间序列；图5为本专利技术的工况四中时序β0时间序列；图6为本专利技术的工况四中关联方法对K＝800的时序β0的混沌检测；图7为本专利技术的工况四中关联方法对K＝2000的时序β0的混沌检测。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步详细说明，但本专利技术的保护范围并不限于所述内容。实施例1(1)试验设计与试验平台的搭建本实施例中，搭建的底吹水模型实验平台，实验选取了十个实验工况，选用3个测试的参数，分别是氧枪倾角，氧枪个数以及氧枪排数；为了验证个参数的影响，均作了对比实验，试验设计方案详见表1。表1(2)液滴群行为图样的获取在试验过程中，不同的工况条件以及试验时间段内，水模型试验中气泡呈现复杂且不断变化的状态，使用高速摄像机以每秒50帧的速度来捕捉这些图样，每次试验持续拍摄2分钟，保存其中2000张的水模型的气泡变化的图像。为了减小偏光以及玻璃镜面反射对图像的影响，试验在晚上进行，且实验拍摄过程中关闭日光灯，运用高功率光源照射可视窗，这样的处理后，发现所拍摄的图样所受外界的影响较小，且能较准确的反应实验过程中气泡的状态。(3)液滴群行为图样的处理为了计算图像的Kc中值，需要对拍摄得到的彩色图样进行数字化处理，任意选取其中一张图片为例，图1为其中一张实验图样的处理过程，具体处理步骤如下：采用MATLAB软件进行灰度化、二值化的数字图像处理，最终得到适合于紧接下来能够进行后续准确计算的图像，即黑白流程图，一个二值化的流型图，对应于一个N行M列的数字矩阵，N、M取正整数，其中矩阵元素要么为1，要么为0，其中1代表白色气泡，2代表黑色背景；如图2中的图片是工况四中的一张图片，这张图片的第零维贝蒂数为237，第一维贝蒂数为106。由于1＜＜m＜＜K，所以已工况四的β0离散时间序列为例，首先取时间序列长度K＝800，此时局部极值的个数为490个，即m＝490，所得的pc，qc数值，Mc(m)随着m变化的数值及Kc数值随着c的变化如图6所示，此时所得的Kc中值为0.9844.(4)基于工况四，当确定时间序列的长度K＝2000时，此时局部极值的个数为1210个，即m＝1210，将ω(m)带入求得及得出结果，分别由图7中的pc-qc图，Mc(m)-m图给出。(5)基于0-1测试方法中的关联方法求改进0-1测试中关联方法的Kc中值对气液两相流混沌状态进行表征，上述得到的pc(m),qc(m)，Mc(m)均由β0时间序列得到的过程变量，这里利用关联方法定义渐进增长率Kc求得工况四对应的Kc中本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于改进型0‑1测试的底吹炉水模型混沌状态表征方法，其特征在于，具体包括以下步骤：(1)当底吹炉水模型实验的进行时，用高速摄像机获取底吹水模型实验过程中气泡群行为的实时图样并保存下来；并利用数字图像处理技术获得只有背景和目标的待处理图样；将待处理图样中的目标作为研究对象；并且每个时刻t对应一张流型图；(2)将原始流型图像变为灰度图像，再经二值化的数字图像处理，得到最终流型图，对应于一个M行N列的数字矩阵，M、N取正整数，其中矩阵元素要么为1，要么为0，其中1代表白色气泡，2代表黑色背景，即为黑白矩阵或者黑白流程图；(3)借助CHomP软件对黑白流型图计算二值化后的第零维贝蒂数β0和第一维贝蒂数β1，β0指的是区域中块的个数，β1表示的是图像中洞的个数；图样中块的个数足够多，那多相混合的效果足够好，即β0越大，多相混合越均匀；(4)每张图像可分别得到一个β0和β1，取时间序列的长度为K，分别得到K个β0和β1，基于改进型0‑1测试方法中的关联方法求Kc中值对气液两相流混沌状态进行表征，改进型0‑1测试中，β0离散时间序列为

【技术特征摘要】
1.一种基于改进型0-1测试的底吹炉水模型混沌状态表征方法，其特征在于，具体包括以下步骤：(1)当底吹炉水模型实验的进行时，用高速摄像机获取底吹水模型实验过程中气泡群行为的实时图样并保存下来；并利用数字图像处理技术获得只有背景和目标的待处理图样；将待处理图样中的目标作为研究对象；并且每个时刻t对应一张流型图；(2)将原始流型图像变为灰度图像，再经二值化的数字图像处理，得到最终流型图，对应于一个M行N列的数字矩阵，M、N取正整数，其中矩阵元素要么为1，要么为0，其中1代表白色气泡，2代表黑色背景，即为黑白矩阵或者黑白流程图；(3)借助CHomP软件对黑白流型图计算二值化后的第零维贝蒂数β0和第一维贝蒂数β1，β0指的是区域中块的个数，β1表示的是图像中洞的个数；图样中块的个数足够多，那多相混合的效果足够好，即β0越大，多相混合越均匀；(4)每张图像可分别得到一个β0和β1，取时间序列的长度为K，分别得到K个β0和β1，基于改进型0-1测试方法中的关联方法求Kc中值对气液两相流混沌状态进行表征，改进型0-1测试中，β0离散时间序列为(n为变量，n∈[1,K])，β0离散时间序列的局部极值为ω(m)(m为极值的个数，m∈[1,K])，需引入平均平方位移(MSD)为：

【专利技术属性】
技术研发人员：徐建新，高勤，肖清泰，张彦霞，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：云南,53