CN104006745B - 基于改变曝光时间以及光源强度获得汽羽穿透长度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于改变曝光时间以及光源强度获得汽羽穿透长度的方法，该方法利用蒸汽和水对不同强度的光透射能力的差异，通过改变光源的强度以及高速相机的曝光时间从而能够清晰的分辨出实际较难获得的、被过冷水所包裹蒸汽区域以及其长度；另外根据含汽率对汽羽进行分类，解决了目前不同人获得的汽羽穿透长度存在明显差异的问题。本发明基于改变曝光时间以及光源强度获得汽羽形状以及汽羽穿透长度的方法，获得了不同汽羽的变化规律以及变化曲线，其为指导实际工业生产提供了依据。
Description
技术领域
本发明属于光电图像采集技术领域，具体涉及一种基于改变曝光时间以及光源强度获得汽羽穿透长度的方法。
背景技术
随着中国经济的快速发展，国内能源消耗出现了前所未有的增长势头。能源生产和消耗造成污染的严重性、国内能源企业改革的迫切性、能源供应的安全性等问题，使中国能源行业的发展面临着严峻的挑战。因此，国家出台一系列政策和措施大力促进核电的发展，推进我国能源结构的优化升级，发展核电已经成为中国能源可持续健康发展的当务之急和战略选择。另外在支撑国民经济发展的电力、石油、化工、制冷、军工等各个工程领域中，常常存在能源的浪费和污染物的排放，这些过程主要伴随着热量损失和废气的排放，而承载的主体之一为蒸汽。工业排放废汽的回收利用对于节能与环保有着独特的优势。汽水直接接触凝结广泛的出现在电力、制冷、军工、核工业和石油化工等许多工业领域中，蒸汽在过冷水中浸没射流凝结现象更是在各种工业场合中扮演着十分重要的角色，比如直接接触式加热器、蒸汽喷射器以及核反应堆安全系统等。鉴于汽水直接接触凝结现象在工业领域的广泛应用前景，特别是蒸汽浸没射流凝结现象，具有高效的混合和换热能力，越来越多地出现在各种工业场合中。
研究表明研究汽液两相直接接触换热，特别是蒸汽在过冷水中浸没射流凝结的基础问题是弄清蒸汽射流进入过冷水中的凝结形态即汽羽形态的确定，这是因为凝结汽羽形态一方面直接反映出汽液两相接触换热能力的大小，如当汽羽长度较短时，表明蒸汽被迅速冷却，因而换热较强，当汽羽长度较长时，表明汽液换热能力较弱，因此需要增加汽羽长度来增加换热面积以达到冷却蒸汽的目的；另一方面，汽羽的长度也反映出蒸汽射流的物性参数以及流动参数，当汽羽膨胀较大，且长度较长时，表明蒸汽的压力较高，因而流速很高，甚至可能达到音速以及超音速的状态。
另外对于用来回收利用余热的升压加热喷射器来说，提高余热回收利用效率是设计喷射器的一个核心问题。其中提高喷射器效率的难点在于难以确定汽羽穿透长度以及形状，因而难以较好的设计混合腔的大小，因此发明方法来确定汽羽形状以及穿透长度具有十分重要的科学研究以及工程应用价值。
目前对于蒸汽浸没射流凝结的换热强度的确定以及喷射器设计中混合腔的长度设计不准确导致喷射器效率较低的问题较为突出，解决这些问题的前提是获得准确的汽羽的形状以及穿透长度。而实际上，汽羽由于被过冷水包裹，因此很难确定。目前，现有的各种关于汽羽的形状以及穿透长度的值之间存在明显的差异，这对于汽羽的实际应用带来较大的误差或错误。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种基于改变曝光时间以及光源强度获得汽羽穿透长度的方法。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
基于改变曝光时间以及光源强度获得汽羽穿透长度的方法，包括以下步骤：
1)布置水下灯以及背光灯的位置，使得光线能够穿过汽羽进入高速相机，同时保证光线不能直射进入高速相机，以避免强光遮盖实际汽羽的大小；
2)根据汽羽的含汽率将其分为核心汽羽和含汽液两相区的汽羽，在强光源下，改变高速相机的曝光时间，获得核心汽羽最短值、平均值以及最大值的变化曲线；在弱光源下，改变高速相机的曝光时间，获得不同含汽液两相区的汽羽穿透长度变化规律曲线。
本发明进一步在于：高速相机的型号为PhantomV611。
本发明进一步在于：步骤2)中，在强光源下，光源照度不低于30000Lx，高速相机的曝光时间为100μS≤tE≤5000μS；在弱光源下，光源照度约为5000-8000Lx，高速相机的曝光时间为8000μS≤tE≤40000μS。
本发明进一步在于：步骤2)中，核心汽羽为汽羽中含气率为100％的区域；含汽液两相区的汽羽穿透长度为汽羽中含汽率大于5％时的汽羽长度。
本发明进一步在于：该方法中产生的汽羽装置包括蒸汽发生器，蒸汽发生器通过管路与设置在可视窗内壁上喷嘴相连，水下灯和背光灯安装在可视窗的内壁上。
本发明进一步在于：管路上还设有流量计。
与现有技术相比，本发明具有以下的优点：
本发明利用蒸汽和水对不同强度的光透射能力的差异，通过改变光源的强度以及相机的曝光时间从而能够清晰的分辨出实际较难获得的、被过冷水所包裹蒸汽区域以及其长度；根据对汽羽的分类，解决了目前不同人获得的汽羽穿透长度混乱且存在明显差异的问题；总结不同曝光时间下汽羽形状以及穿透长度的变化规律，这对于实际的工业应用具有重要意义，如指导喷射器、引射器以及核反应堆的泄压喷嘴的设计。
具体地说，本发明首先通过根据含汽率的多少将汽羽分为汽羽核心区与含汽液两相的汽羽两部分；其次根据不同含汽率对透光能力以及反光能力的大小，通过调节光源强度和曝光时间来获得不同的汽羽以及汽羽穿透长度。另外，在强光源下，可以通过长曝光时间获得的汽羽最大长度来预测瞬时的汽羽最大穿透长度；最后获得了基本的汽羽穿透长度随曝光时间变换的规律曲线。
附图说明
图1为本发明所需实验装置的结构示意图；
图2(a)为在强光源下，汽羽形状以及穿透长度随着曝光时间的变化图；图2(b)为在弱光源下，汽羽形状以及穿透长度随着曝光时间的变化图；
图3是本发明的汽羽形状示意图；
图4为核心汽羽最短值、平均值以及最大值的变化曲线；
图5为不同含汽液两相区的汽羽穿透长度变化规律曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。
参见图1至图5，本发明基于改变曝光时间以及光源强度获得汽羽穿透长度的方法，包括以下步骤：
1)布置水下灯以及背光灯的位置，使得光线能够穿过汽羽进入高速相机，同时保证光线不能直射进入高速相机，以避免强光遮盖实际汽羽的大小，如图1所示；
2)根据汽羽的含汽率将其分为核心汽羽和含汽液两相区的汽羽，在强光源下，改变曝光时间，获得核心汽羽最短值、平均值以及最大值的变化曲线，如图2和图4所示；在弱光源下，改变曝光时间，获得不同含汽液两相区的汽羽穿透长度变化规律曲线，如图3和图5所示，其中，图3是本发明的汽羽形状示意图；蒸汽通过喷嘴喷入过冷水中凝结时，蒸汽区域所形成的形状叫做汽羽，蒸汽与过冷水之间的界面称为相界面，蒸汽完全凝结后的区域称为热水层区。
本发明能够清晰的分辨出实际较难获得的、被过冷水所包裹蒸汽区域以及其长度；同时解决了目前不同人获得的汽羽穿透长度混乱且存在明显差异的问题；另外总结出了能够指导实际工业应用的不同曝光时间下汽羽形状以及穿透长度的变化规律并绘制了汽羽穿透长度随曝光时间的变化曲线，如图4和图5所示。
其中，汽羽的定义可根据含汽率的多少分为汽羽核心区和含汽液两相区的汽羽。核心汽羽为汽羽中含气率为100％的区域；含汽液两相区的汽羽穿透长度汽羽中含汽率大于5％时的汽羽长度。
当曝光时间较长时，可以获得宏观上的不同汽羽形状，如双膨胀收缩形汽羽，膨胀收缩形汽羽等。
光源在较高强度下，高速相机的曝光时间在100μs以内，且采样率为10000左右可以获得瞬时的长度变化较大的核心汽羽，该核心汽羽的最大值与长曝光时间的最大值一致；光源在较高强度下，曝光时间为1000μs左右可以获得边缘较为光滑以及长度变化较小的汽羽。
具体来说，在强光源下，光源照度不低于30000Lx，曝光时间为100μS≤tE≤5000μS，可以获得核心汽羽最短值、平均值以及最大值的变化曲线；在弱光源下，光源照度约为5000-8000Lx，曝光时间为8000μS≤tE≤40000μS，可以获得不同含汽液两相区的汽羽穿透长度变化规律曲线。
参见图1，本发明所需实验装置包括：蒸汽浸没射流凝结的实验设备，其包括蒸汽发生器1，蒸汽发生器1通过管路与设置在可视窗2内壁上喷嘴3相连，其中，管路上还设有流量计4；强度可调的光源，包括水下灯5和背光灯6，其均安装在可视窗2内壁上；采样率高、曝光时间短且能连续可调的高速相机7，以及对高速相机7传输的数据进行接收处理的采集系统8。
根据本发明基于改变曝光时间以及光源强度获得汽羽穿透长度的方法，获得的结果简单举例如下：
1、获得关于核心汽羽的穿透长度随曝光时间变化曲线，如图4所示，可以发现核心汽羽的最大穿透长度基本保持不变，而最小值以及平均汽羽穿透长度的值随着曝光时间的延长而增大，这也是现有汽羽穿透长度存在差异的一个主要原因。
2、获得含汽液两相的汽羽穿透长度随曝光时间变化曲线，在一定的曝光范围内，汽羽穿透长度保持不变，此后随着曝光时间的增大，汽羽穿透长度逐渐降低，如图5所示。而现有的关于含汽液两相的汽羽穿透长度的差异则是由于对曝光时间的认识不足。
综上所述，本发明利用蒸汽和水对不同强度的光透射能力的差异，1)通过改变光源的强度以及相机的曝光时间从而能够清晰的分辨出实际较难获得的、被过冷水所包裹蒸汽区域以及其长度；2)根据对汽羽的分类，解决了目前不同人获得的汽羽穿透长度混乱且存在明显差异的问题；3)设备包含蒸汽浸没射流凝结的实验设备，强度可调的光源以及曝光时间较短，且能连续可调的高速相机等；4)本发明可得不同光源强度和曝光时间下汽羽形状，核心汽羽以及含汽液两相汽羽穿透长度的变化规律曲线。
本发明获得曝光时间对核心汽羽穿透长度和及含汽液两相区的汽羽穿透长度影响规律及其规律曲线：在强光源的不同曝光时间下，核心汽羽最大穿透长度相同，因而可以通过测量长曝光时间下的稳态核心汽羽最大穿透长度来预测动态下汽羽的最大穿透长度。在弱光源下，改变曝光时间可获得不同的含汽率的汽羽，且在一定曝光时间范围内为汽羽穿透长度最大且变化较小，此后随着曝光时间延长，汽羽穿透长度逐渐减小。
以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。
Claims (5)
1.基于改变曝光时间以及光源强度获得汽羽穿透长度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)布置水下灯以及背光灯的位置，使得光线能够穿过汽羽进入高速相机，同时保证光线不能直射进入高速相机，以避免强光遮盖实际汽羽的大小；
2)根据汽羽的含汽率将其分为核心汽羽和含汽液两相区的汽羽，在强光源下，改变高速相机的曝光时间，获得核心汽羽最短值、平均值以及最大值的变化曲线；在弱光源下，改变高速相机的曝光时间，获得不同含汽液两相区的汽羽穿透长度变化规律曲线，其中，在强光源下，光源照度不低于30000Lx，高速相机的曝光时间为100μS≤tE≤5000μS；在弱光源下，光源照度为5000-8000Lx，高速相机的曝光时间为8000μS≤tE≤40000μS。
2.根据权利要求1所述的基于改变曝光时间以及光源强度获得汽羽穿透长度的方法，其特征在于：高速相机的型号为PhantomV611。
3.根据权利要求1所述的基于改变曝光时间以及光源强度获得汽羽穿透长度的方法，其特征在于：步骤2)中，核心汽羽为汽羽中含气率为100％的区域；含汽液两相区的汽羽穿透长度为汽羽中含汽率大于5％时的汽羽长度。
4.根据权利要求1所述的基于改变曝光时间以及光源强度获得汽羽穿透长度的方法，其特征在于：该方法中产生的汽羽装置包括蒸汽发生器(1)，蒸汽发生器(1)通过管路与设置在可视窗(2)内壁上喷嘴(3)相连，水下灯(5)和背光灯(6)安装在可视窗(2)的内壁上。
5.根据权利要求4所述的基于改变曝光时间以及光源强度获得汽羽穿透长度的方法，其特征在于：管路上还设有流量计(4)。
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