CN106568575B - 一种基于光学差异性的多射流作用流场显示装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光学差异性的多射流作用流场显示装置与方法，装置由待测量床体、X光成像系统、红外热成像系统、全光场成像系统和数据处理系统组成。通过在气固两相主流场中，以极性粒子作为一股射流气流的示踪粒子，造影颗粒作为另一股射流气流的示踪粒子，荧光粒子作为主流中的固相颗粒，基于示踪粒子不同的光学特性，采用红外热成像仪捕捉极性粒子发出的红外光线，X光检测器探测经造影颗粒衰减后的X光线，在此基础上，通过数字减影手段去除光场相机影像中的示踪粒子影像，极大地提高了图像处理的准确度，实现了同步测量不同射流示踪粒子和固相颗粒的空间分布。

Description

一种基于光学差异性的多射流作用流场显示装置与方法

技术领域

本发明属于多相流动参数测量技术领域，具体涉及一种基于光学差异性的多射流作用流场显示装置与方法。

技术背景

气固两相主流中多射流的相互作用是工程设备中的常见现象，研究多射流的相互作用过程，深入探索射流相互作用机理，对于优化设计和合理操作工程设备具有重要意义。

目前对多射流相互作用规律的研究主要集中于实验方面。在实验测量中，通常采用PIV流场测量方法，但该方法由于测量原理的限制，只能测量单相流场的速度分布，无法同时测量气气两股或多股射流相互作用过程的流动特性。近几年，一些研究者也发展了一些新的测量方法，如将两相粒子呈现在同一底片上，然后采用亮度分辨法、粒度分辨法、空间频率分辨法、形状分辨法等对两相粒子图像进行分离后再进行单相运算。这些方法主要是基于后处理图像分析，通过相关性分析分离两种粒子的影像，由于本身两种颗粒具有相似的示踪粒子特性(低密度、小粒径)和光学散射特性，很难通过后处理区分所有的粒子，因为即使示踪粒子在测试前被经过改性处理，测量光源也很难形成稳定统一的光源强度，这就会使不同示踪粒子有可能在图像上呈现一致的亮度，从而带来图像分析引起的误差。

如果这些示踪粒子能主动或被动激发出不同的光线，如红外光线、X光线等，然后采用不同的光学器件分别捕捉这些颗粒的运动轨迹，如红外热成像仪捕捉红外光线、X光检测器捕获X光等，对不同的粒子进行独立显示，这将是一种全新的测量思路，本发明专利就是基于这种思路发展起来的。

发明内容

发明目的：本发明针对气固流场中多射流相互作用时，常规方法难以同时展现多股射流与气固主流的流场问题，提供了一种基于光学差异性的多射流作用流场显示装置与方法。

技术方案：为解决上述问题，本发明提供了一种基于光学差异性的多射流作用流场显示装置，所述的多射流作用流场显示装置包括待测量床体、红外热成像系统、X光成像系统、全光场成像系统和数据处理系统；

所述待测量床体由依次相连通的主流入口、加料段、锥段、整流器、流通段和旋风分离器组成，所述加料段的上方设置有加料器，所述流通段的两侧分别设置有射流管A和射流管B；

所述红外热成像系统包括极性粒子、加热部分和红外成像部分组成，所述红外热成像系统的加热部分放置在待测量床体流通段射流管A或射流管B所在侧，红外热成像系统的成像部分放置在待测量床体流通段的上侧；

所述X光成像系统包括造影粒子、发光部分和接收部分，所述发光部分和接收部分分别放置在待测量床体流通段的两侧；

所述全光场成像系统包括固相颗粒、光源部分和光学成像部分，所述光源部分放置在待测量床体流通段射流管一侧，成像部分放置在待测量床体流通段的上侧；

所述数据处理系统分别与红外热成像系统、X光成像系统和全光场成像系统的成像部分相连，所述数据处理系统通过图像处理获得不同时刻和不同操作参数下极性粒子、造影粒子和固相颗粒的空间分布。

其中，所述的红外热成像系统的加热部分包括依次相连的微波发射器、波导管和磁控管，所述红外成像部分包括相互连接的红外广角镜头和红外热成像仪组成，其中，所述极性粒子通过射流管A射入流通段，微波发射器的发射端制成狭缝状，优选地，所示狭缝状的尺寸为W×H，W＝100～1200mm，H＝0.5～2mm，放置在射流管A或射流管B所在的流通段的侧面，方向为与流通段垂直，可沿流通段平移；红外广角镜头放置在流通段的上侧，镜头端垂直对准流通段；所述磁控管和红外热成像仪分别与数据处理系统相连。

所述的X光成像系统的发光部分包括X线管和准直器，所述X光成像系统的接收部分为X光检测器，其中，造影粒子通过射流管B进入流通段；所述发光部分设置于射流管A或射流管B所在的流通段的侧面，自X线管发出的X射线经过准直器后变成平行X线束，穿透流通段测量区域；X光检测器设置在发光部分的对侧，接受来自流通段衰减后的X射线。

所述的全光场成像系统的光源部分包括照明灯和片状激光源，所述全光场成像系统的光学成像部分为一光场相机，其中，荧光粒子通过加料器与来自主流入口的主气流混合，然后依次经过锥段和整流器，进入流通段；照明灯为2个，分别设置在流通段上侧的边缘处，光线射向中部；片状激光源设置在与放置微波发射器的同一个平面上，源头对准流通段；所述光场相机设置在流通段的上侧，镜头正对着流通段。

所述的数据处理系统包括计算机，其中，所述计算机分别与红外热成像仪、X光检测器和光场相机相连，所述计算机根据自动获得的红外热图像、X光片和可见光图像，通过图像处理，如常规的Photoshop或Matlab，获得不同时刻和不同操作参数下极性粒子、造影粒子和固相颗粒的空间分布。

所述流通段的上侧和两侧面由蓝宝石透红外玻璃制成，下侧面由有机玻璃制成。

所述极性粒子由碳化硅粉末制备而成，粒径范围在1～10μm之间。

所述造影粒子由硫酸钡粉末制备而成，粒径范围在1～10μm之间。

所述固相颗粒为荧光粒子，所述荧光粒子通过荧光粉负载在活性炭颗粒上制备而成，粒径为50～500μm。

本发明同时提出了基于光学差异性的多射流作用流场显示装置的测量方法，包括如下步骤：

(1)将射流空气与极性粒子充分混合后通过射流管A引入流通段，射流空气与造影粒子充分混合后通过射流管B引入流通段，荧光粒子通过加料器与主流空气混合后进入流通段；

(2)开启磁控管使微波发射器发射微波，形成片状微波源，并穿透流通段的一个切面，定向加热该截面上的极性粒子，示踪颗粒发射出红外光线向外辐射；

(3)开启X线管、准直器和检测器，形成平行X线束，穿透流通段测量区域，与微波穿过的切面重合，X射线经过造影粒子后衰减，放置在流通段另一端的X光检测器接收衰减后的X射流；

(4)开启照明灯、片状激光源和光场相机，荧光粒子在片状激光源照射下发射出荧光，光场相机记录下整个流场中荧光粒子的位置，特别是在切片上被片状激光源照射的荧光粒子；

(5)实时在线同时读取红外热成像仪的热图像，X光检测器的X光片，光场相机的可见光图像，通过图像分析，分别获取某一切片中的极性粒子和造影粒子在每一时刻的分布，通过自动调焦和数字减影，获取同一切片中荧光粒子在每一时刻的分布，通过相关性分析，获取每种粒子的速度分布；

(6)改变切片位置，重复以上过程，获取不同切片中极性粒子、造影粒子和荧光粒在每一时刻的流场分布。

本发明通过在气固两相主流场中，以极性粒子作为一股射流气流的示踪粒子，造影颗粒作为另一股射流气流的示踪粒子，荧光粒子作为主流中的固相颗粒，基于示踪粒子不同的光学特性，采用红外热成像仪捕捉极性粒子发出的红外光线，X光检测器探测经造影颗粒衰减后的X光线，在此基础上，通过数字减影手段去除光场相机影像中的示踪粒子影像，极大地提高了图像处理的准确度，实现了同步测量不同射流示踪粒子和固相颗粒的空间分布。

有益效果:与常规的测量装置与方法相比，本发明具有如下的特色及优点:

(1)常规的PIV测量方法，通常只能测量一种示踪粒子的流场，而本发明基于示踪粒子不同的光学特性，采用红外热成像仪捕捉热示踪颗粒的红外光线，X光检测器探测经造影颗粒衰减后的X光线，实现了不同射流示踪粒子在同一流场中的同步测量；

(2)本发明采用光场相机后处理调焦功能，与常规相机的先调焦后拍摄不同，光场相机是先拍摄后调焦，呈现切片中的固相颗粒，然后结合红外图像和X光图像通过数字减影手段去除影像中的示踪颗粒，从而较好地呈现含多种类型颗粒主流中的原始固相颗粒，突破了传统方法只能基于亮度不同去除杂质颗粒，提高了图像处理的准确度；

(3)本发明中微波发射器的发射端是狭缝状的，这种独特的设计方式能够产生片状的微波源，从而只能对切片中的极性粒子进行定向加热，避免了其他位置极性粒子被加热而产生的热图像干扰现象。

附图说明

图1是本发明的一种基于光学差异性的多射流作用流场显示装置示意图，其中有；主流入口1、加料段2、加料器3、锥段4、整流器5、流通段6、射流管A7、射流管B8、旋风分离器9、微波发射器10、波导管11、磁控管12、红外广角镜头13、红外热成像仪14、X线管15、准直器16、X光检测器17、照明灯18、片状激光源19、光场相机20和计算机21。

具体实施方式

根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的内容仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。

本发明提出了一种基于光学差异性的多射流作用流场显示装置，如图1所示，包括待测量床体、X光成像系统、红外热成像系统、全光场成像系统和数据处理系统。

其中，待测量床体由依次相连的主流入口1、加料段2、加料器3、锥段4、整流器5、流通段6、射流管A7、射流管B 8和旋风分离器9组成。加料段2一端为主流入口，另一端与锥段4相连，中间上侧部分与加料器3相连。锥段4另一端与流通段6相连，在连接处放置整流器5。流通段6上侧面由蓝宝石透红外玻璃制成，其余各面由有机玻璃制成，出口与旋风分离器9相连。

红外热成像系统由极性粒子、微波发射器10、波导管11、磁控管12、红外广角镜头13和红外热成像仪14组成，其中，极性粒子由碳化硅粉末制备而成，平均粒径为5μm，与射流气A混合后通过射流管A进入流通段。微波发射器的发射端制成狭缝状，尺寸为W×H，W＝100～1200mm，H＝0.5～2mm，放置在射流管A或射流管B所在的流通段的侧面，方向为与流通段垂直，可沿流通段平移，另一端与波导管相连，而波导管另一端则与磁控管相连。红外广角镜头放置在流通段的上侧，镜头端垂直对准流通段，另一侧与红外热成像仪连接。

X光成像系统由造影粒子、X线管15、准直器16和X光检测器17组成，其中，造影粒子由硫酸钡粉末制备而成，粒径为5μm，与射流气B混合后通过射流管B进入流通段。X线管与准直器相连，放置在流通段一侧，自X线管发出的X射线经过准直器后变成平行X线束，穿透流通段测量区域。X光检测器设置在流通段另一侧，接受来自流通段衰减后的X射线。

全光场成像系统由荧光粒子、照明灯18、片状激光源19和光场相机20组成，其中，荧光粒子通过荧光粉负载在活性炭颗粒上制备而成，粒径为150μm。照明灯为2个，分别设置在流通段上侧的边缘处，光线射向中部。片状激光源设置在与放置微波发射器的同一个平面上，源头对准流通段。光场相机设置在流通段上侧，镜头正对着流通段。

后处理系统包括计算机和后处理程序，其中，计算机与红外热成像仪、检测器和光场相机相连，后处理程序安装在计算机上，根据自动获得的红外热图像、X光片和，通过图像处理，获得不同时刻和不同操作参数下极性粒子、造影粒子和固相颗粒的空间分布。

具体测量时，按如下步骤进行：

(1)将射流空气与极性粒子充分混合后通过射流管A引入流通段，射流空气与造影粒子充分混合后通过射流管B引入流通段，荧光粒子通过加料器与主流空气混合后进入流通段；

(2)开启磁控管使微波发射器发射微波，形成片状微波源，并穿透流通段的一个切面，定向加热该截面上的极性粒子，示踪颗粒发射出红外光线向外辐射，随后移动微波发射器，依次加热每一个切面上的极性粒子；

(3)开启X线管、准直器和检测器，形成平行X线束，穿透流通段测量区域，并与微波穿过的切面重合，X射线经过造影粒子后衰减，放置在流通段另一端的检测器接收衰减后的X射流，同时平移X线管、准直器和检测器，依次测量每一个截面上的造影粒子；

(4)开启照明灯、片状激光源和光场相机，荧光粒子在片状激光源照射下发射出荧光，光场相机记录下整个流场中荧光粒子的位置，特别是在切片上被片状激光源照射的荧光粒子；

(5)实时在线同时读取红外热成像仪的热图像，X光检测器的X光片，光场相机的可见光图像，通过图像分析，如Photoshop或Matlab，分别获取某一切片中的极性粒子和造影粒子在每一时刻的分布，通过自动调焦和数字减影，获取同一切片中荧光粒子在每一时刻的分布，通过相关性分析，获取每种粒子的速度分布；

(6)改变切片位置，重复以上过程，获取不同切片中示踪颗粒、造影粒子和荧光粒在每一时刻的流场分布。

本发明基于示踪粒子不同的光学特性，采用红外热成像仪捕捉热示踪颗粒的红外光线，X光检测器探测经造影颗粒衰减后的X光线，实现了不同射流示踪粒子在同一流场中的同步测量，同时，本发明采用光场相机后处理调焦功能呈现切片中的固相颗粒，然后结合红外图像和X光图像通过数字减影手段去除影像中的示踪颗粒，从而较好地呈现含多种类型颗粒主流中的原始固相颗粒，突破了传统方法只能基于亮度不同去除杂质颗粒，提高了图像处理的准确度，另外，通过将微波发射器的发射端设计为狭缝状，能够产生片状的微波源，从而只能对切片中的极性粒子进行定向加热，避免了其他位置极性粒子被加热而产生的热图像干扰现象。

Claims (10)

1.一种基于光学差异性的多射流作用流场显示装置，其特征在于，所述的多射流作用流场显示装置包括待测量床体、红外热成像系统、X光成像系统、全光场成像系统和数据处理系统；

所述待测量床体由依次相连通的主流入口、加料段、锥段、整流器、流通段和旋风分离器组成，所述加料段的上方设置有加料器，所述流通段的两侧分别设置有射流管A和射流管B；

所述红外热成像系统包括极性粒子、加热部分和红外成像部分组成，所述红外热成像系统的加热部分放置在待测量床体流通段射流管A或射流管B所在侧，红外热成像系统的成像部分放置在待测量床体流通段的上侧；

所述X光成像系统包括造影粒子、发光部分和接收部分，所述发光部分和接收部分分别放置在待测量床体流通段的两侧；

所述全光场成像系统包括固相颗粒、光源部分和光学成像部分，所述光源部分放置在待测量床体流通段射流管一侧，成像部分放置在待测量床体流通段的上侧；

所述数据处理系统分别与红外热成像系统、X光成像系统和全光场成像系统的成像部分相连，所述数据处理系统通过图像处理获得不同时刻和不同操作参数下极性粒子、造影粒子和固相颗粒的空间分布。

2.根据权利要求1所述的基于光学差异性的多射流作用流场显示装置，其特征在于，所述的红外热成像系统的加热部分包括依次相连的微波发射器、波导管和磁控管，所述红外成像部分包括相互连接的红外广角镜头和红外热成像仪组成，其中，所述极性粒子通过射流管A射入流通段，微波发射器的发射端制成狭缝状，放置在射流管A或射流管B所在的流通段的侧面，方向为与流通段垂直，可沿流通段平移；红外广角镜头放置在流通段的上侧，镜头端垂直对准流通段；所述磁控管和红外热成像仪分别与数据处理系统相连。

3.根据权利要求1所述的基于光学差异性的多射流作用流场显示装置，其特征在于，所述的X光成像系统的发光部分包括X线管和准直器，所述X光成像系统的接收部分为X光检测器，其中，造影粒子通过射流管B进入流通段；所述发光部分设置于射流管A或射流管B所在的流通段的侧面，自X线管发出的X射线经过准直器后变成平行X线束，穿透流通段测量区域；X光检测器设置在发光部分的对侧，接受来自流通段衰减后的X射线。

4.根据权利要求1所述的基于光学差异性的多射流作用流场显示装置，其特征在于，所述的全光场成像系统的光源部分包括照明灯和片状激光源，所述全光场成像系统的光学成像部分为一光场相机，其中，荧光粒子通过加料器与来自主流入口的主气流混合，然后依次经过锥段和整流器，进入流通段；照明灯为2个，分别设置在流通段上侧的边缘处，光线射向中部；片状激光源设置在与放置微波发射器的同一个平面上，源头对准流通段；所述光场相机设置在流通段的上侧，镜头正对着流通段。

5.根据权利要求1所述的基于光学差异性的多射流作用流场显示装置，其特征在于，所述的数据处理系统包括计算机，其中，所述计算机分别与红外热成像仪、X光检测器和光场相机相连，所述计算机根据自动获得的红外热图像、X光片和可见光图像，通过图像处理，获得不同时刻和不同操作参数下极性粒子、造影粒子和固相颗粒的空间分布。

6.根据权利要求1所述的基于光学差异性的多射流作用流场显示装置，其特征在于，所述流通段的上侧和两侧面由蓝宝石透红外玻璃制成，下侧面由有机玻璃制成。

7.根据权利要求1所述的基于光学差异性的多射流作用流场显示装置，其特征在于，所述极性粒子由碳化硅粉末制备而成，粒径范围在1~10μm之间。

8.根据权利要求1所述的基于光学差异性的多射流作用流场显示装置，其特征在于，所述造影粒子由硫酸钡粉末制备而成，粒径范围在1~10μm之间。

9.根据权利要求1所述的基于光学差异性的多射流作用流场显示装置，其特征在于，所述固相颗粒为荧光粒子，所述荧光粒子通过荧光粉负载在活性炭颗粒上制备而成，粒径为50~500μm。

10.一种利用权利要求1~9中任意一项所述的基于光学差异性的多射流作用流场显示装置的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）将射流空气与极性粒子充分混合后通过射流管A引入流通段，射流空气与造影粒子充分混合后通过射流管B引入流通段，荧光粒子通过加料器与主流空气混合后进入流通段；

（2）开启磁控管使微波发射器发射微波，形成片状微波源，并穿透流通段的一个切面，定向加热截面上的极性粒子，示踪颗粒发射出红外光线向外辐射；

（3）开启X线管、准直器和检测器，形成平行X线束，穿透流通段测量区域，与微波穿过的切面重合，X射线经过造影粒子后衰减，放置在流通段另一端的X光检测器接收衰减后的X射流；

（4）开启照明灯、片状激光源和光场相机，荧光粒子在片状激光源照射下发射出荧光，光场相机记录下整个流场中荧光粒子的位置；

（5）实时在线同时读取红外热成像仪的热图像，X光检测器的X光片，光场相机的可见光图像，通过图像分析，分别获取某一切片中的极性粒子和造影粒子在每一时刻的分布，通过自动调焦和数字减影，获取同一切片中荧光粒子在每一时刻的分布，通过相关性分析，获取每种粒子的速度分布；

（6）改变切片位置，重复以上过程，获取不同切片中极性粒子、造影粒子和荧光粒子在每一时刻的流场分布。