一种管道环状流气液界面波波动特征参数测量方法技术

本发明专利技术公开了一种管道环状流气液边界波动特征参数测量方法，通过激光高速摄像获取一个中心平面上气液流动的图像，通过图像处理技术提取了气液界面，重构该气液界面获得了界面波的时空演变图像，在此基础之上，构建了气液界面波基底平面，计算了该基底厚度与波的脉动幅度，追踪了界面波的波峰时空轨迹，获得了界面波的传播速度。该发明专利技术能快速测量环状流液膜厚度、界面波波幅以及传播速度，测量结果准确，操作简单，安全可靠，且不干扰气液流场结构。

A method for measuring the characteristic parameters of gas-liquid interface wave in annular flow

【技术实现步骤摘要】
一种管道环状流气液界面波波动特征参数测量方法
专利技术属于多相流参数测量
，具体提供了一种环状流气液界面波动参数测量方法。
技术介绍
环状流是一种典型的气液两相流动流型，广泛应用于石油化工、航空航天、核能核电等领域。在环状流结构中，液相以液膜形式紧贴管壁流动，气相被液膜包围在管道中心形成气芯，液膜与气芯之间构成环形相界面。受气流强剪切作用，环状流气液两相界面存在极强的波动，该波动界面对环状流流动、质能传递有重要影响。根据测量原理的不同，国内外对环状流气液界面波的测量方法包括：电导探针测量、摄像法、光学测量法等。电导探针是根据气芯与液膜电导率不同，通过测量液膜厚度的时域变化规律，从而来测量气液体界面的波动情况。电导探针测量对环状流液膜平均厚度和界面波波动频率测量较为准确（申请号：CN201621260840.2，CN201110050908.X），CN201610266490.9对单探头电导探针进行改进，提出了四探头电导探针，该探针能识别气液界面并获取气液界面传播速度，该测量方法装置简单，成本低廉，响应时间快。但电导探针侵入流体时会干扰流场结构，影响界面波传输，另外电导探针仅能测量一个位置点的波动情况，空间分辨率低，测量结果准确度不高。射线法测量是利用射线透射衰减原理,在管道的一侧放置射线源,产生足够穿透整个管道直径的射线,在管道另一侧相对位置放置射线接收装置,探测衰减后的射线,透射信号的强度可以反映管道内多相流介质对射线的吸收衰减程度,从而判断管道截面相含率。该方法精确度较高，能较好的空间分辨率，但实际应用时造价高，体积大，能耗高，而且具有放射性。由于环状流气液界面位于管道内部，其被紧贴管壁环状液膜包围，很难从视觉上获取气液界面的波动结构，CN201810327886.9，CN201810327373.8，在管道正面和背面通过布置光源与高速摄像机，根据背光成像技术，获取了环状流气液界面图像，该方法对环状流气液界面波的测量提供了较好的理论指导作用。但背光成像图像是环状液膜与气芯的空间投影，该方尚不能精确反应气液界面与气芯内部的真实流动情况。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有测量手段的不足，提供一种新型的环状流气液界面波波动参数测量方法。该方法通过激光平面高速摄像方法，直接获取拍摄平面上气液流动的真实图像，通过图像处理提取环状流的气液边界，准确获取环状流气液界面波波幅与传播速度。本专利技术提供的环状流气液界面波波动参数测量方法，如图1所示，其特征在于：通过激光平面高速摄像获取过管道轴线的中心平面上气液流动的真实图像，采用图形处理提取环状流气液界面数据，时空重构气液界面图像，利用最小二乘法计算液膜基底平面、计算液膜基底厚度、计算界面波波动幅度、追踪界面波波峰时空轨迹，计算界面波传播速度。激光平面高速摄像，如图2所示，其特征在于：在被测圆管的外侧布置矩形透明水箱，在水箱的正面及侧面分别设置高速相机及连续激光源，开启激光源，形成片光面，通过高速摄像机拍摄片光平面上气液流动图像，得到液膜、气芯、液滴的灰度图像。图形处理提取环状流气液界面数据，其特征在于：通过对液相区域进行图像增强、分割、气泡空洞填充以及液滴去除获取液膜与气芯的二值化图像，对该二值化图像进行边缘识别从而获得液膜与气芯边界位置信息，其具体操作步骤如下，1）液相区域图像增强。在拍摄平面上，气芯无色透明，无光学反射能力，液相较气相有较好的反光能力。理论上，采用高速摄影在激光平面上能清楚记录液膜，液滴，气芯等细节信息。但实际测量过程中，由于激光强度不足或拍摄频率过高等因素影响，气液图像存在曝光不足，气液图像细节信息难以清除分辨，为凸显气液边界界面波与液滴等细节信息，采用图像灰度线性扩展方法,增强液相、气液边界以及液滴细节信息；2）对步骤1）增强后的灰度图像进行图像分割。由于气芯无色透明，可将该气芯作为背景，将液相作为目标，采用大津阈值法，将液膜、液滴进行有效识别；3）由于部分气泡存在液膜中，经过步骤2）处理后，液膜会存在部分空洞现象。为此，需对该部分空洞进行图像填充，采用传染算法函数可对液膜空洞进行有效填充；4）去除步骤3)所获图像中的液滴。统计图像中的连通区域面积及数量，由于液滴的面积远远小于液膜的面积。因此，可去除小块连通区域，最终获得液膜与气芯的二值化图像；5）提取步骤4）中的液膜与气芯边界。将步骤4）图像沿着管道轴线分为两个图像，这两个图像分别包含环状流的气液界面左边界和右边界面，通过canny算子提取这两幅图像的气液界面的左边界像素位置信息（z，hL）和右边界像素位置信息（z，hR）。时空重构气液界面图像，如图3所示，其特征在于：对不同时刻的图像序列进行界面波重构，以时间（t）和空间（z）为坐标轴，以界面波高度h为函数，可构造界面波的时空变化三维图像，(t，z，h)。利用最小二乘法计算基底液膜平面，设重构界面波的时间序列长度为m，空间序列长度为n，其基底液膜方程为：（1）其中a、b、c为待求参数，基底液膜方程应该满足时空界面波上的各点到该平面上的距离和最小，设时空界面波上的各点到基底液膜平面的距离和为ε，该距离的数学函数表达式为：（2）为使得式（2）中距离和函数ε的最小值，可对a、b、c求偏导，并令其偏导数为0，（3）（4）（5）联立求解式（3）-（5）可得获得基底液膜方程式（1）的参数a、b、c分别为：（6）（7）（8）将(6)-(8)a、b、c代入式（1）可得基底液膜hb(ti，zj)图像。基底液膜厚度hm，其计算方法为：（9）界面波波动幅度Am，其计算方法为：（10）。气液界面波波峰时空轨迹追踪，其特征在于：采用界面波时空投影、波峰分割技术追踪波峰时空轨迹，其具体操作为：1)以时间和空间为二维坐标轴，将边界时空图像（t，z，h）在t-z平面上投影，形成二维灰度图像Hi,j；2)对步骤1）灰度图像进行图像分割。将最高波峰作为目标，其他信息最为背景，采用大津阈值法，获取包含波峰轨迹信息的二值化图像；3)对步骤2）的二值化图像进行波峰轨迹坐标信息提取(t，z)。界面波传播速度是通过波峰时空轨迹数据进行线性拟合，获取轨迹的斜率变化，从而获得界面波的传播速度。本专利技术优点：本专利技术采用光学方法采用激光平面高速摄像方法，直接获取气液界面的真实流动图像，通过后续图像处理与数据分析，能重构界面波的时空演变过程，快速获取液膜厚度、界面波波动幅度以及波动速度，测量准确，操作简单，安全可靠，且不干扰气液流动结构。附图说明图1为环状流气液边界波波动特征参数测量方法流程图。图2为激光高速摄像原理图。图3为界面波传输速度计算方法。图4a为激光高速摄影图像。图4b为图像增强处理后图像。图4c为图像分割处理后图像。图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种环状流气液界面波波动参数测量方法，其特征在于：通过激光平面高速摄像获取过管道轴线的中心平面上气液流动的真实图像，采用图形处理提取环状流气液界面数据，时空重构气液界面图像，构建基底液膜平面，计算基底液膜厚度以及波动幅度、追踪界面波波峰时空轨迹，计算界面波传播速度。/n

【技术特征摘要】
1.一种环状流气液界面波波动参数测量方法，其特征在于：通过激光平面高速摄像获取过管道轴线的中心平面上气液流动的真实图像，采用图形处理提取环状流气液界面数据，时空重构气液界面图像，构建基底液膜平面，计算基底液膜厚度以及波动幅度、追踪界面波波峰时空轨迹，计算界面波传播速度。


2.按权利要求1所述的重构气液界面时空图像，其特征在于：对不同时刻的图像序列进行界面波重构，以时间和空间为二维坐标轴，以界面波高...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪志能，黄飞，
申请(专利权)人：湖南科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43