一种稀疏两相流中颗粒局部结构的测量方法技术

本发明专利技术涉及一种稀疏两相流中颗粒局部结构的测量方法，包括：获取流化颗粒图像；对背景去噪和二值化处理后的流化颗粒图像进行特征提取和筛选，得到每一个颗粒上白色光点的像素值；对每一个颗粒进行定位，确定每一个颗粒在直角坐标系下的坐标值；根据每一个颗粒的坐标值，构建对应的颗粒系统的Voronoi图，并计算每一个颗粒的局部体积分数；构建包含七个拓扑结构的接触模型；确定每一个颗粒的键取向序参数Q

A method to measure the local structure of particles in sparse two-phase flow

【技术实现步骤摘要】
一种稀疏两相流中颗粒局部结构的测量方法
本专利技术涉及颗粒流局部结构测量
，尤其是涉及一种稀疏两相流中颗粒局部结构的测量方法。
技术介绍
在石油、化工、能源、冶金、材料、环保等领域中，存在大量黏性颗粒流态化过程。由于黏性颗粒间存在液桥，使得颗粒与邻近颗粒产生粘连形成不同的局部结构体。在流化过程中容易产生团聚结块现象，这将会减弱反应器内的气固接触，降低生产效率。在黏性颗粒流化过程的研究中，最根本、最直接的是对稀疏两相流中黏性颗粒局部结构进行研究，因此测量黏性颗粒在流化团聚过程中局部结构的变化，对预测滑坡和泥石流等自然灾害以及增强工业过程的效率具有重要意义。目前，在颗粒流结构描述方面，有采用统计物理学分布函数来描述颗粒流的大致局部结构，比如径向分布函数法，采用径向分布曲线来表征以颗粒为同心圆随半径增加时颗粒的密度分布，但是该方法只能判断颗粒流局部结构的疏密，无法对颗粒的拓扑结构进行测量；另外比较常用的是利用颗粒配位数或颗粒局部面积分数来测量颗粒流中的局部结构，但是这种方法需要对图像中颗粒系统进行区域划分，这就难免会有部分颗粒位于区域边缘上，进而导致配位不准或误配位的现象；并且，目前的测量方法均无法对颗粒流化过程中局部结构进行可视化处理。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种稀疏两相流中颗粒局部结构的测量方法。在材料相变领域中，为研究二维晶体熔化，建立了KTHNY理论，利用键取向序Q6来表示二维系统熔化相变过程中的六角相(Hexatic)，因此很多研究者采用这种六角相来对颗粒流的结构进行描述，但目前还没有一个完整的结构模型能够对二维平面内所有的结构进行测量。本专利技术从相变领域中六角相结构受到启发，引入键取向序参数(bondorientationorderparameter)Qn来表示任一颗粒与邻近颗粒相接触的个数，通过构建接触模型，并计算接触颗粒的方位角和相接触颗粒的总数，以确定二维硫化颗粒的拓扑结构，最终实现对二维流化颗粒系统中颗粒局部结构的准确测量。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种稀疏两相流中颗粒局部结构的测量方法，包括以下步骤：S1、获取流化颗粒图像，并对流化颗粒图像进行背景去噪和二值化处理，得到处理后的流化颗粒图像；S2、对处理后的流化颗粒图像进行特征提取和筛选，以得到流化颗粒图像中每一个颗粒上白色光点的像素值；S3、根据每一个颗粒上白色光点的像素值，对每一个颗粒进行定位，确定每一个颗粒在直角坐标系下的坐标值；S4、根据每一个颗粒在直角坐标系下的坐标值，构建对应的颗粒系统的Voronoi图，并以此计算每一个颗粒的局部体积分数；S5、构建接触模型，其中，接触模型包括与键取向序参数对应的七个拓扑结构；S6、确定每一个颗粒的键取向序参数Qn，结合接触模型，以对每一个颗粒进行局部结构匹配及颜色表征，同时计算每一个颗粒的邻近颗粒方位角、建立颗粒局部结构变化曲线，即完成对流化颗粒局部结构的测量。进一步地，所述步骤S3具体包括以下步骤：S31、将每一个颗粒上白色光点进行连通域标识，以识别每一个颗粒；S32、选取流化颗粒图像的左下角为坐标原点，以建立直角坐标系；S33、根据连通域标识顺序，依次对每一个颗粒进行定位，即得到每一个颗粒在直角坐标系下的坐标值。进一步地，所述步骤S4具体包括以下步骤：S41、根据每一个颗粒在直角坐标系下的坐标值，基于Delaunay三角剖分算法，得到空间离散点，以生成对偶元Delaunay三角网；S42、确定Delaunay三角网中每个三角形的外接圆圆心，通过连接相邻三角形的外接圆圆心，形成以每个三角形顶点为生成元的多边形网，即为颗粒系统Voronoi图，其中，Voronoi图中每个多边形对应于一个颗粒；S43、基于凸多边形的性质，得到Voronoi图中每个多边形的面积，以计算每一个颗粒的局部体积分数。进一步地，所述局部体积分数具体为：其中，Fi为颗粒i的局部体积分数，d为颗粒i的直径，Ai为颗粒i对应多边形的面积。进一步地，所述步骤S5中接触模型具体包括：自由颗粒拓扑结构，对应键取向序参数Q0，即接触颗粒个数为0；点颗粒拓扑结构，对应键取向序参数Q1，即接触颗粒个数为1；线性拓扑结构，对应键取向序参数Q2，即接触颗粒个数为2；三角形拓扑结构，对应键取向序参数Q3，即接触颗粒个数为3；正方形拓扑结构，对应键取向序参数Q4，即接触颗粒个数为4；五边形拓扑结构，对应键取向序参数Q5，即接触颗粒个数为5；六边形拓扑结构，对应键取向序参数Q6，即接触颗粒个数为6。进一步地，所述步骤S6具体包括以下步骤：S61、按照步骤S3的颗粒定位顺序，依次对每一个颗粒划分最小局部结构体积元，以计算每一个颗粒与其邻近颗粒之间的距离，确定颗粒系统中的每一个颗粒与邻近颗粒接触的个数n，即得到每一个颗粒的键取向序参数Qn；S62、依次将每一个颗粒的键取向序参数Qn分别与接触模型的七个拓扑结构进行匹配，并进行颜色表征：当键取向序参数Qn为数为Q0时，该颗粒填充为蓝色；当键取向序参数Qn为Q1时，该颗粒填充为浅蓝色；当键取向序参数Qn为Q2时，该颗粒填充为绿色；当键取向序参数Qn为Q3时，该颗粒填充为浅绿色；当键取向序参数Qn为Q4时，该颗粒填充为黄色；当键取向序参数Qn为Q5时，该颗粒填充为橙色；当键取向序参数Qn为Q6时，该颗粒填充为红色；在进行匹配时，具体过程为：首先对应于键取向序参数Qn的值，构建局部体积分数的七个区间；之后判断每一个颗粒的键取向序参数Qn所对应的局部体积分数是否位于对应的区间内，若位于对应的区间，则匹配准确，否则匹配不准确，需返回步骤S61，以进行再次测量与匹配；S63、计算所测量的每一个颗粒与其邻近颗粒之间的夹角，即该颗粒拓扑结构中邻近颗粒的方位角；S64、实时统计键取向序参数为Q6的颗粒个数，通过曲线拟合键取向序参数为Q6的颗粒个数与时间的关系，得到颗粒局部结构变化曲线。进一步地，所述步骤S61中颗粒与其邻近颗粒之间的距离为：其中，rij为颗粒i与颗粒j之间的距离，xi和yi分别为颗粒i的横坐标与纵坐标，xj和yj分别为颗粒j的横坐标与纵坐标；当|rij|≤rc，则颗粒j为颗粒i的接触颗粒，若颗粒i的接触颗粒个数为n，即得到颗粒i的键取向序参数Qn，其中，rc为预设距离阈值。进一步地，所述步骤S63中邻近颗粒的方位角具体为：其中，为颗粒i与颗粒j之间的夹角。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：一、本专利技术基于键取向序参数，构建包括稀疏流化颗粒七种拓扑结构的接触模型，避免了传统只针对团簇六角相结构进行测量的局限性，能够对颗粒的局部拓扑结构进行准确测量，此外，通过构建Voronoi图，以计本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种稀疏两相流中颗粒局部结构的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1、获取流化颗粒图像，并对流化颗粒图像进行背景去噪和二值化处理，得到处理后的流化颗粒图像；/nS2、对处理后的流化颗粒图像进行特征提取和筛选，以得到流化颗粒图像中每一个颗粒上白色光点的像素值；/nS3、根据每一个颗粒上白色光点的像素值，对每一个颗粒进行定位，确定每一个颗粒在直角坐标系下的坐标值，并记录颗粒定位顺序，其中，直角坐标系的原点为流化颗粒图像的左下角；/nS4、根据每一个颗粒在直角坐标系下的坐标值，构建对应的颗粒系统的Voronoi图，并以此计算每一个颗粒的局部体积分数；/nS5、构建接触模型，其中，接触模型包括与键取向序参数对应的七个拓扑结构；/nS6、确定每一个颗粒的键取向序参数Q

【技术特征摘要】
1.一种稀疏两相流中颗粒局部结构的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、获取流化颗粒图像，并对流化颗粒图像进行背景去噪和二值化处理，得到处理后的流化颗粒图像；
S2、对处理后的流化颗粒图像进行特征提取和筛选，以得到流化颗粒图像中每一个颗粒上白色光点的像素值；
S3、根据每一个颗粒上白色光点的像素值，对每一个颗粒进行定位，确定每一个颗粒在直角坐标系下的坐标值，并记录颗粒定位顺序，其中，直角坐标系的原点为流化颗粒图像的左下角；
S4、根据每一个颗粒在直角坐标系下的坐标值，构建对应的颗粒系统的Voronoi图，并以此计算每一个颗粒的局部体积分数；
S5、构建接触模型，其中，接触模型包括与键取向序参数对应的七个拓扑结构；
S6、确定每一个颗粒的键取向序参数Qn，结合接触模型，以对每一个颗粒进行局部结构匹配及颜色表征，同时计算每一个颗粒的方位角、建立颗粒局部结构变化曲线，即完成对流化颗粒局部结构的测量。


2.根据权利要求1所述的一种稀疏两相流中颗粒局部结构的测量方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括以下步骤：
S31、将每一个颗粒上白色光点进行连通域标识，以识别每一个颗粒；
S32、选取流化颗粒图像的左下角为坐标原点，以建立直角坐标系；
S33、根据连通域标识顺序，依次对每一个颗粒进行定位，即得到每一个颗粒在直角坐标系下的坐标值，并记录颗粒定位顺序。


3.根据权利要求1所述的一种稀疏两相流中颗粒局部结构的测量方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括以下步骤：
S41、根据每一个颗粒在直角坐标系下的坐标值，基于Delaunay三角剖分算法，得到空间离散点，以生成对偶元Delaunay三角网；
S42、确定Delaunay三角网中每个三角形的外接圆圆心，通过连接相邻三角形的外接圆圆心，形成以每个三角形顶点为生成元的多边形网，即为颗粒系统的Voronoi图，其中，Voronoi图中每个多边形对应于一个颗粒；
S43、基于凸多边形的性质，得到Voronoi图中每个多边形的面积，以计算每一个颗粒的局部体积分数。


4.根据权利要求3所述的一种稀疏两相流中颗粒局部结构的测量方法，其特征在于，所述局部体积分数具体为：



其中，Fi为颗粒i的局部体积分数，d为颗粒i的直径，Ai为颗粒i对应多边形的面积。


5.根据权利要求1所述的一种稀疏两相流中颗粒局部结构的测量方法，其特征在于，所述步骤S5中接触模型具体包括：
自由颗粒拓扑结构，对应键取向序参数Q0，即接触颗粒个数为0；
点颗粒拓扑结构，对应键取向序参数...

【专利技术属性】
技术研发人员：孔平，王蓬，李然，
申请(专利权)人：上海健康医学院，
类型：发明
国别省市：上海;31