CN103033133B - 一种液体横向射流振荡边界的获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种液体横向射流振荡边界的获取方法，包括以下步骤：(一)利用高速摄影方法获得观测平面内的标尺，对气体流场中的液体射流进行拍摄，获取射流在流场中的一组连续的数字图像结果；(二)统计N幅图像中各采集线上像素点灰度值；(三)获取各像素点对应灰度的概率分布及各像素点灰度的概率最大值；(四)获取采集线上振荡最剧烈的边界点；(五)查找所有采集线上振荡最剧烈的边界点；(六)将所有采集线上的振荡最剧烈的边界点连接起来，获取射流的边界线；根据步骤一所测量的标尺，得到物理边界线。本发明通过测量气流中液液体射流最剧烈振荡边界，获取液体射流的边界。测量方法不涉及人为因素，测量结果客观、定量、唯一。

Description

一种液体横向射流振荡边界的获取方法

技术领域

本发明涉及光学测量技术和图像处理领域，特别是涉及一种基于高速摄影的不稳定流场中液体横向射流最剧烈振荡边界的获取方法。

背景技术

在以液体燃料为推进剂的发动机中，液体横向射流的喷注和雾化是一个非常重要的过程。在研究横向射流的喷注和雾化特性时，射流的边界信息是一个很重要的测量参数，它影响了液体横向射流的雾化程度以及射流与气流的掺混程度，并决定了液体横向射流主流的扩展范围。对于液体横向射流边界的研究，以往通常采用的方法有：PDPA法、片光法、高速摄影法、阴影法、纹影法等并结合相应的图像处理技术，以获取各方法所对应的射流边界信息。

PDPA法采用定点测量的方式，能够获得射流破碎形成的液滴的当地体积流率，并根据不同的射流边界的定义获得射流的外围边界。文献“Lin K C，Kennedy P J，JacksonTA.Structures of water jets in a Mach 1.94supersonic crossflow.2004，AIAA-2004-971”和“Wu P K，Kirkendall K A，Fuller R P，et al.Spray structure of liquidj ets atomized in subsonic crossflow[J].Journal of Propulsion and Power，1998，14(2)；173-182”对气流中射流外围边界点的定义为射流的体积流率为0.01cc/(s·cm²)或0.02cc/(s·cm²)的点，两者对于液雾外围的定义不太相同；同时PDPA方法采取的是对流场中的单点进行测量，其效率较低、难以一次性获得整个流场的射流边界信息。

对于片光法以及相应的图像处理技术，文献“Chaouki Ghenai，Hayri Sapmaz，Cheng-Xian Lin.Penetration height correlation for non-aerated and aeratedtransverse liquid jets in supersonic cross flow，Exp Fluids，2009，49：121-129”结合Canny方法对采用片光法得到的数字图像进行处理，得到了射流的边界。但是其得到的边界只是图像处理意义上的边界，无明确的物理意义；同时其在Canny方法中灰度梯度阈值的选取对结果影响较大，不同的阈值所得射流边界相差较大，数字图像处理过程中人为因素较大，所得结果并不唯一。

高速摄影法、阴影法和纹影法都能获得射流主流的大致轮廓，文献“赖林.带空腔超燃发动机燃烧室内流场试验和仿真研究[D].长沙：国防科学技术大学.2003”指出采用相同的测量方法运用不同的数字图像处理技术，得到的结果不尽相同。以往对基于高速摄影所得结果的图像处理技术而得到的射流边界信息，都是图像处理上的边界，物理意义不明确，且处理过程中人为因素较大，不能得到唯一定量化的结果。

文献“J.Beloki Perurena，C.O.Asma，R.Theunissen，O.Chazot.Experimentalinvestigation of liquid jet injection into Mach 6 hypersonic crossflow.ExpFluids，2009，46：4.3-417”提出了一种基于高速摄影所得图像的灰度概率的确定射流边界大致位置的方法，但是其未得到定量化的结果，只是描述了射流边界的大致位置。

总的来看，目前对于超声速气流中液体射流穿透深度的定义及获取方法较多，但是有些方法相对应的数字图像处理方法主要测量射流最外围边界，有的结果的物理意义不太明确，图像处理过程中人为因素较大，不能唯一的得到定量化的结果。对于超声速气流中液体射流边界急需一种能唯一确定的、快速的、定量化的、物理意义明确的边界获取方法。

发明内容

针对上述现状，本发明的目的是提供一种液体横向射流振荡边界的获取方法，基于高速摄影法、图像处理技术以及数理统计方法，通过测量气流中液液体射流最剧烈振荡边界，获取液体射流的边界。测量方法不涉及人为因素，测量结果客观、定量、唯一。

本发明一种液体横向射流振荡边界的获取方法，包括以下步骤：

(一)、利用高速摄影方法首先获得观测平面内的标尺，然后对气体流场中的液体射流进行拍摄，获取射流在流场中的一组连续的数字图像结果；

(二)、统计N幅图像中各采集线上图像灰度值；

以射流喷注点为原点，以气流速度方向为x轴正方向，以射流喷注方向为y轴正方向，以原点为起点、x轴的正方向、以k像素距离为步长，作为一个采集线，统计并获取该线上所有像素点所对应的灰度值；

(三)、获取各像素点对应灰度的概率分布及各像素点灰度的概率最大值；

统计N幅图像中各灰度出现的次数n_p并获取概率f_p＝n_p/N，其中p表示某灰度值，比较并获取该点所有灰度值对应的概率最大值即f_max＝max(f_p)；

(四)、获取振荡最剧烈的边界点；

获取采集线上所有像素点对应的灰度概率的最大值，得到采集线上对应的f_max-y关系图像，其最低点为振荡最剧烈的边界点。

(五)、查找所有采集线上的液体横向射流振荡最剧烈的边界点；

(六)、将所有采集线上的振荡最剧烈的边界点连接起来，获取射流的边界线，根据步骤一所测量的标尺，得到物理边界线。

由于本发明采用高速摄影对整个流场进行观测，故本发明比PDPA的单点测量法更加简单、快捷；同时由于本发明中图像处理方法无人为选取阈值的步骤，故相对于高速摄影法、阴影法、纹影法所得到的结果人为因素影响较小，能获得唯一、客观、定量的结果；另外本发明结合了射流的振荡特性，较其他高速摄影法、阴影法、纹影法和片光法中的图像处理方法物理意义更加明确。

附图说明

构成本申请的一部分附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1：本发明流程图

图2：本发明高速摄影系统结构图

图3：图像分析坐标系、观测线及观测点

图4：观测点灰度-概率图

图5：观测线位置-灰度最大概率图

图6：图像处理结果

具体实施方式

本发明一种液体横向射流振荡边界的获取方法，参照图1，具体包括以下步骤：

(一)、利用高速摄影方法首先获得观测平面内的标尺，然后对气体流场中的液体射流进行拍摄，获取射流在流场中的一组连续的数字图像结果；

参见附图2，将稳定的光源1布置在试验段射流7的一侧，另一侧布置高速摄影仪5，光源1中心位置、射流4中心位置、高速摄影相机5的镜头中心位置位于同一垂直高度上。接着进行高速摄影相机5的对焦，使相机5的焦平面2与气流3方向以及液体射流4方向平行，相机5的焦平面2位于射流喷孔中心并与光源1平面平行。调节光源1强度，减小高速摄影相机5的曝光时间、提高拍摄帧速并放大拍摄区域2，保证得到清晰的图像并满足拍摄帧速的要求。然后，在相机焦平面2内放置标尺，拍摄并保存标尺信息。相机和光源调节完成后，保持相机和光源强度不变，在流场中通入气体3和液体横向射流4，射流4通过气流3的作用发生弯曲、破碎并雾化形成小液滴，利用高速摄影仪对射流4及液滴进行高速摄影拍摄，获取射流在流场中的一组连续的数字图像结果。

(二)、统计N幅图像中各采集线上图像灰度值；

如图3所示，本实施例以射流喷注点为原点，以气流速度方向为x轴正方向，以射流喷注方向为y轴正方向，以原点为起点、沿x轴的正方向、以每10个像素距离为步长，作为一个采集线，统计并获取该线上所有像素点所对应的灰度值。图3中的采集线为第30个步长的采集线。N为射流喷注时高速摄影拍摄图像的张数，N越大越好，但N会影响高速摄影拍摄的清晰度。

(三)、获取各像素点对应灰度的概率分布及各像素点灰度的概率最大值；

参见图3所示，例如取x＝300的直线上点(300，100)作为分析点，由于射流的振荡和流场的振荡，在N幅图像中像素点(300，100)对应的灰度值会不断变化，统计各灰度出现的次数n_p(其中p表示某灰度值)并获取此灰度对应的概率f_p＝n_p/N，例如像素点(300，100)对应灰度值为30的概率f_30＝n_30/N；参见图4，获取该点所有灰度值(p＝0～255)对应的概率，并求取所有灰度对应概率中的最大值即f_max＝max(f_p)。

(四)、获取振荡最剧烈的边界点；

按照步骤三中的方法，参见图5，获取x＝300直线上所有像素点对应的灰度概率的最大值，即可得到x＝300直线上对应的f_max-y关系图像，确定f_max-y图像中的最低点，即f_max最小的点；由于射流振荡最剧烈的边界点处对应像素点灰度值离散度最大，各灰度值出现的概率都较小，故f_max值最小的点即为射流在x＝300位置处振荡最剧烈的边界点。

(五)、查找所有采集线上的振荡最剧烈的边界点；

按照步骤三和四的方法查找图像中所有x＝10m(m＝1，2，3……)直线上射流振荡最剧烈的边界点，所得结果即获取的射流的振荡边界。

(六)、将所有采集线上的振荡最剧烈的边界点连接起来，获取射流的边界线，根据步骤一所测量的标尺，得到物理边界线。

参见图6，将步骤(五)中获得的离散边界点相连，结合(一)中所得的标尺，将像素距离转换为实际物理空间距离，从而获取射流的边界线。

各种举例说明不对发明的实质内容构成限制，所属技术领域的普通技术人员在阅读了说明书后可以对以前所述的具体实施方式作修改或变形，不背离发明的实质和范围。

Claims (1)

1.一种液体横向射流振荡边界的获取方法，包括以下步骤：

(一)、利用高速摄影方法首先获得观测平面内的标尺，然后对气体流场中的液体射流进行拍摄，获取射流在流场中的一组连续的数字图像结果；

(二)、统计N幅图像中各采集线上图像灰度值；

以射流喷注点为原点，以气流速度方向为x轴正方向，以射流喷注方向为y轴正方向，以原点为起点、沿x轴的正方向、以每k个像素距离为步长，作为一个采集线，统计并获取N幅图像中该线上所有像素点所对应的灰度值；

(三)、获取各像素点对应灰度的概率分布及各像素点灰度的概率最大值；

统计N幅图像中各灰度出现的次数n_p并获取概率f_p＝n_p/N，其中p表示某个灰度值，比较并获取该点所有灰度值对应的概率最大值即f_max＝max(f_p)；

(四)、获取振荡最剧烈的边界点；

获取采集线上所有像素点对应的灰度概率的最大值，得到采集线上对应的f_max-y关系图像，其最低点为振荡最剧烈的边界点；

(五)、查找所有采集线上的振荡最剧烈的边界点；

(六)、将所有采集线上的振荡最剧烈的边界点连接起来，获取射流的边界线，根据步骤一所测量的标尺，得到物理边界线。