一种管道内两相流颗粒运动特性测量装置及物理矫正及分析方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种管道内两相流颗粒运动特性测量装置及物理矫正及分析方法，主要包括两相流循环模块、管道物理矫正模块、图像采集及分析模块。在圆形管道内，由于管壁曲面的光线折射，导致拍摄到的两相流运动图像出现较大畸变，严重影响实验结果的后处理分析。本发明专利技术通过物理矫正方法获得圆管内两相流的无畸变拍摄图像，为粗颗粒稠密两相流动规律的研究提供科学依据和技术支持。本发明专利技术的应用场景广泛，不仅适用于固液两相流动，对于气液两相流同样适用。适用。适用。

【技术实现步骤摘要】
一种管道内两相流颗粒运动特性测量装置及物理矫正及分析方法


[0001]本专利技术属于深海采矿领域，具体涉及一种管道内两相流颗粒运动特性测量的物理矫正及分析方法。

技术介绍

[0002]管道内的两相流动问题广泛存在于各个领域，如深海采矿、深海天然气水合物开采、食品工业、煤炭工业等。管道内的两相流动规律与实际工程的开采效率息息相关。因此，研究管道内的颗粒与流体相互作用规律至关重要。但是，在实际室内实验时，通过拍摄设备捕捉到的两相流运动图像与真实图像相距甚远，主要原因在于圆管外壁曲面导致的光线折射，拍摄图像畸变较大。若通过图像后处理来矫正畸变又较为困难，这严重制约了两相流动的精细化测量，进而影响到两相流动规律的研究进程。因此，本专利技术提出一种管道内两相流动实验测量的物理矫正畸变方法，以及基于校正后的图像获取颗粒运动坐标的方法。

技术实现思路

[0003]为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种管道内两相流颗粒运动特性测量装置及物理矫正及分析方法，用于管道内两相流动实验测量的物理矫正畸变以及基于校正后的图像获取颗粒运动坐标。
[0004]为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0005]一种管道内两相流颗粒运动特性测量装置，包括两相流循环模块、管道物理矫正模块、图像采集及分析模块；
[0006]所述两相流循环模块包括竖直圆管、水箱、变频泵；所述竖直圆管的管道透明，方便实验图像采集；测量开始前预先在所述竖直圆管的管道底部放入一定量的颗粒，随后开启变频泵形成输送水流；水箱为正方体不锈钢箱，下面设出水口，上面设进水口；
[0007]所述管道物理矫正模块包括在竖直圆管的外部设置的立方体套管，所述立方体套管的尺寸为竖直圆管直径的2.5倍；所述立方体套管与竖直圆管之间为空隙，实验开始前在空隙中装满水；所述竖直圆管和立方体套管共轴线；通过设置所述立方体套管改变竖直圆管外表面的曲率，减弱光线通过竖直圆管外表面的折射；
[0008]所述图像采集及分析模块用于获得两相流的精细化测量图像，采用高速数字摄像机进行拍摄。
[0009]进一步地，所述竖直圆管的内径为50mm、高为3m。
[0010]进一步地，所述竖直圆管的管道底部安装钢滤网，防止颗粒掉落。
[0011]进一步地，清水由所述水箱下面的出水口通过变频泵进入竖直圆管，然后流过竖直圆管上方的回水管再进入水箱，形成流动循环。
[0012]进一步地，还配备一台微流量泵，在所述空隙中装满水后开启所述微流量泵冲刷竖直圆管的外壁以去除干扰气泡，并起到更换清水的作用。
[0013]进一步地，所述立方体套管的上部开口位置的一半用亚克力片与竖直圆管外壁粘接起到固定作用，防止人为干扰或者实验装置震动导致所述立方体套管偏心而引入误差。
[0014]本专利技术提供的一种基于上述管道内两相流颗粒运动特性测量装置的物理矫正及分析方法，包括如下步骤：
[0015]步骤(1)、在竖直圆管的外侧增加立方体套管；
[0016]步骤(2)、将立方体套管与竖直圆管外壁粘接保证立方体套管与竖直圆管共轴线；
[0017]步骤(3)、在立方体套管与竖直圆管的空隙中装入清水，采用微流量泵冲刷竖直圆管外壁去除外壁气泡；
[0018]步骤(4)、标定颗粒尺寸在图像内的最大和最小像素值；
[0019]步骤(5)、调节变频泵的频率使颗粒群位于立方体套管范围内；
[0020]步骤(6)、调节高速数字摄像机光源，拍摄清晰无畸变的颗粒运动图像；
[0021]步骤(7)、将颗粒运动图像转换为颗粒运动二值图像；
[0022]步骤(8)、对颗粒运动二值图像进行霍夫变换获得颗粒边界、颗粒直径像素值、颗粒二维坐标；
[0023]步骤(9)、基于步骤(4)中标定的像素值，假设颗粒在所占据像素尺寸与深度方向呈线性关系，计算颗粒在深度方向坐标。
[0024]有益效果：
[0025]本专利技术改善圆管拍摄图像的颗粒畸变，获得颗粒的真实形状图像。进而由颗粒的真实形状图像，基于图像处理算法捕捉颗粒的真实边界以及大小，以此确定颗粒的三维运动坐标。
附图说明
[0026]图1为本专利技术的两相流循环模块示意图；
[0027]图2为物理矫正后的示例拍摄效果图；
[0028]图3为颗粒图像霍夫变换后得到颗粒边界示意图；
[0029]图4为本专利技术的管道内两相流颗粒运动特性测量的物理矫正及分析方法流程图。
具体实施方式
[0030]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0031]本专利技术的管道内两相流颗粒运动特性测量装置包括两相流循环模块、管道物理矫正模块、图像采集及分析模块。
[0032]如图1所示，所述两相流循环模块主要包括竖直圆管、水箱、变频泵三个部分。所述竖直圆管的内径为50mm、高为3m，其管道透明，方便实验图像采集。实验开始前预先在所述竖直圆管的管道底部放入一定量的颗粒，底部安装了钢滤网防止固体颗粒掉落。随后开启变频泵形成输送水流。水箱是一个边长1m的正方体不锈钢箱，下面设出水口，上面设进水口。清水由所述水箱下面的出水口通过变频泵进入竖直圆管，然后流过竖直圆管上方的回
水管再进入水箱，形成流动循环。此设计一方面节省了清水的用量，另一方面提高了实验效率。
[0033]所述管道物理矫正模块的物理矫正思路为：改变竖直圆管外表面的曲率，减弱光线通过竖直圆管外表面的折射。具体实现方法如图1，在竖直圆管的外部设置立方体套管，所述立方体套管的尺寸为竖直圆管直径的2.5倍。所述立方体套管与竖直圆管之间为空隙，实验开始前在空隙中装满水。由于在所述立方体套管与竖直圆管的间隙中装水时可能带入大量空气，使得竖直圆管的外壁面附着很多气泡，影响两相流的拍摄效果。因此还配备一台微流量泵，在间隙中装满水后开启微流量泵冲刷竖直圆管的外壁以去除干扰气泡。所述微流量泵还可起到更换清水作用。此外，所述立方体套管的上部开口位置的一半用亚克力片与竖直圆管外壁粘接起到固定作用，防止人为干扰或者实验装置震动导致套管偏心引入误差。图2为以圆玻璃珠为颗粒材料进行的两相流实验的矫正拍摄效果图，可以发现，经过物理矫正以后，拍摄到的圆球颗粒几乎没有畸变。
[0034]所述图像采集及分析模块用于获得两相流的精细化测量图像，其采用PhantomVEO410高速数字摄像机进行拍摄。所述PhantomVEO410高速数字摄像机采用独特的1280
×
800CMOS传感器，满幅拍摄速率为5200帧/秒，最高拍摄速率可达600000帧/秒；具有超高灵敏度，时间精度20ns，使其具有更高的帧速率以及曝光精度，并且无图像滞后。随后对拍摄到的无畸变颗粒图像进行霍夫变换，获得圆本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种管道内两相流颗粒运动特性测量装置，其特征在于：包括两相流循环模块、管道物理矫正模块、图像采集及分析模块；所述两相流循环模块包括竖直圆管、水箱、变频泵；所述竖直圆管的管道透明，方便实验图像采集；测量开始前预先在所述竖直圆管的管道底部放入一定量的颗粒，随后开启变频泵形成输送水流；水箱为正方体不锈钢箱，下面设出水口，上面设进水口；所述管道物理矫正模块包括在竖直圆管的外部设置的立方体套管，所述立方体套管的尺寸为竖直圆管直径的2.5倍；所述立方体套管与竖直圆管之间为空隙，实验开始前在空隙中装满水；所述竖直圆管和立方体套管共轴线；通过设置所述立方体套管改变竖直圆管外表面的曲率，减弱光线通过竖直圆管外表面的折射；所述图像采集及分析模块用于获得两相流的精细化测量图像，采用高速数字摄像机进行拍摄。2.根据权利要求1所述的一种管道内两相流颗粒运动特性测量装置，其特征在于：所述竖直圆管的内径为50mm、高为3m。3.根据权利要求1所述的一种管道内两相流颗粒运动特性测量装置，其特征在于：所述竖直圆管的管道底部安装钢滤网，防止颗粒掉落。4.根据权利要求1所述的一种管道内两相流颗粒运动特性测量装置，其特征在于：清水由所述水箱下面的出水口通过变频泵进入竖直圆管，然后流过竖直圆管上方的回水管再进入水箱，形成流动循环。5.根据权利要求1所述的一种管道内两相流...

【专利技术属性】
技术研发人员：张岩，张旭辉，李鹏，任万龙，鲁晓兵，
申请(专利权)人：中国科学院力学研究所，
类型：发明
国别省市：