CN108871211A - 一种圆管内气液两相环状流液膜厚度的测量及修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种圆管内气液两相环状流液膜厚度的测量及修正方法，包括以下步骤：1)通过摄影装置1结合光源3对圆管内气液两相环状流的相界面进行拍摄，得包含液膜和气芯的灰度图；2)对灰度图进行数字图像处理，得包含液膜和气芯的二值化图像；3)提取二值化图像中气液相界面信息，得液膜厚度的成像值；4)建立预测圆管壁厚及液膜厚度成像值与真实值之间定量关系的光学成像理论模型；5)利用步骤4)构建的液膜光学成像理论模型对待测量液膜厚度的成像值h_成像进行修正，得待测量液膜厚度的真实值h_真实，该方法能够实现圆管内气液两相环状流液膜厚度的可视化检测，具有较高的检测精度、安全性及可靠性，并且检测成本低。

Description

一种圆管内气液两相环状流液膜厚度的测量及修正方法

技术领域

本发明属于气液两相环状流参数测量技术领域，具体涉及一种圆管内气液两相环状流液膜厚度的测量及修正方法。

背景技术

气液两相环状流是一种重要的、并在工程领域应用广泛的两相流动，管内环状流主要由管壁液膜和中心雾状高速气芯组成。环状流中管壁液膜具有很强的热质交换能力，液膜厚度的准确测量，对深入研究环状流的流动及传递特征具有重要作用。根据测量原理不同，液膜厚度的测量方法主要包括声学法、电导法、光学法和射线法等。声学法基于超声波在气液界面的衰减与反射传播的时间来确定液膜厚度，但超声波波长的不确定性限制了声学法在液膜极薄情况下的应用。电导法简单可靠、成本较低，但它只适用导电液膜的测量，电导探针侵入流体对流场也会产生一定的干扰，导致测量偏差。射线法是一种成熟且应用较好的测量方法，但实际应用中涉及射线防护、放射源存储及设备维护等安全问题。光学法是目前应用较多的方法，但光学测量设备普遍价格昂贵，操作过程复杂，且对被测介质和应用环境的清洁度有严格要求。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种圆管内气液两相环状流液膜厚度的测量及修正方法，该方法能够精确测量气液两相环状流液膜的厚度，并且测量成本低，安全可靠。

为达到上述目的，本发明所述的圆管内气液两相环状流液膜厚度的测量及修正方法包括以下步骤：

1)在圆管的测量段外布置矩形透明水箱，在矩形透明水箱的正面及背面分别设置摄影装置及光源，开启光源，通过摄影装置拍摄圆管内气液两相环状流相界面的图像，得包含管壁、液膜及气芯的灰度图；

2)对步骤1)得到的灰度图进行数字图像处理，得包含液膜及气芯的二值化图像；

3)提取步骤2)得到的二值化图像中的气液相界面信息，得液膜厚度的成像值h_成像；

4)建立预测圆管壁厚及液膜厚度成像值h_成像与真实值之间定量关系的光学成像理论模型，得液膜厚度缩放因子K_液膜；

5)利用步骤4)得到的液膜厚度缩放因子K_液膜对待测量液膜厚度的成像值h_成像进行修正，得待测量液膜厚度的真实值h_真实。

步骤2)的具体操作过程为：

a)从灰度图上分割出包含气液相界面的液膜有效区域；

b)利用对比度调整函数提高灰度图的对比度；

c)利用填充函数对灰度图的空洞区域进行填充，消除液膜中夹带的气泡；

d)将灰度图转化为二值图像；

e)通过填充函数及求反函数消除气芯中夹带的液滴，得包含液膜及气芯的二值化图像。

设圆管内径及外径分别为r及R，圆管管壁厚度的真实值为R-r，光源入射光线进入圆管后在圆管内管壁处的入射角为θ₂，光线穿过圆管管壁在矩形透明水箱水侧的折射角为θ₁，其中，折射光线经矩形透明水箱的壁面射出后平行进入摄影装置中，圆管管壁厚度的成像值为R–r–L，其中，变量L为射出圆管的光线与圆管外壁之间的垂直距离；

折射角θ₁满足的几何关系为：

根据斯涅尔定律，入射角θ₂与折射角θ₁满足：

其中，n_水为水的折射率，n_管壁为圆管的折射率；

联立式(1)、式(2)及式(3)，得：

由式(4)可知，当已知圆管内径及外径、光线在水中的折射率n_水及圆管管壁中的折射率n_管壁，即可求得变量L的大小。

来自光源的入射光线AB从液膜与圆管内壁边界折射后以光线BC进入圆管管壁，光线BC随后在圆管外壁与矩形透明水箱水侧发生折射后平行射入摄影装置中，液膜与圆管内管壁处的入射角及折射角分别为θ₄及θ₃，光线在圆管外管壁与矩形透明水箱水侧处的入射角及折射角分别为θ₂及θ₁。管壁液膜厚度的真实值为h，设y₁为射出圆管的光线与圆管轴线之间的垂直距离，则折射角θ₁满足的几何关系为：

圆管外壁的处入射角θ₂与矩形透明水箱2水侧的折射角θ₁满足：

光线BC的轨迹方程为：

y＝y₁-tan(θ₁-θ₂)(Rcosθ₁-x) (7)

圆OB的轨迹方程为：

x²+y²＝r² (8)

由式(7)及式(8)，得B点的坐标位置(x_B，y_B)；

则线段OB的斜率为：

光线在液膜处的入射角θ₄与圆管内壁处的折射角θ₃满足：

经过液膜的光线AB的方程为：

y＝y_B+x_Btan[θ₄-θ₃-(θ₁-θ₂)] (11)

光线OA的方程为：

y＝r-h (12)

由式(11)及式(12)得A点的坐标(x_A，y_A)，则A点处气液相界面与圆心的距离r_A为：

液膜的真实厚度h为：

h＝r-r_A (14)

液膜厚度的成像值h_成像为：

h_成像＝r+L-y₁ (15)

其中，变量L通过式(4)得到；

则液膜厚度的缩放因子K_液膜为：

液膜厚度的真实值h_真实为：

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的圆管内气液两相环状流液膜厚度的测量及修正方法在具体操作时，以摄影装置作为监测仪器，通过摄影装置结合光源对圆管内气液两相环状流的相界面进行拍摄，得包含管壁、液膜及气芯的灰度图；然后对灰度图进行数字图像处理得二值化图像，提取二值化图像中气液相界面信息，得液膜厚度的成像值；最后构建光学成像理论模型，通过该光学成像理论模型对待测量液膜厚度的成像值进行修正，得待测量液膜厚度的真实值，操作简单，易于实现，并且整个测量过程只需通过非侵入方式对圆管内气液两相环状流相界面进行拍摄，整个检测过程中对圆管内液体的流动无干扰，检测精度较高，并且安全、可靠，成本低。

附图说明

图1a为本发明中摄影装置1、矩形透明水箱2及光源3的位置关系图；

图1b为本发明中圆管内气液两相环状流相界面的示意图；

图2a为本发明中包含液膜和气芯有效区域的灰度图像；

图2b为本发明中增强对比度后的图像；

图2c为本发明中填洞消去液膜中夹带气泡后的图像

图2d为本发明中二值化图像

图2e为本发明中填洞消去气芯中夹带液滴后的图像；

图3a为本发明中圆管管壁成像的光路图；

图3b为本发明中管壁液膜成像的光路图；

图4a为本发明中液膜厚度成像值h_成像的分布图；

图4b为本发明中液膜厚度真实值h_真实的分布图。

其中，1为摄影装置、2为矩形透明水箱、3为光源。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1a至图4b，本发明所述的圆管内气液两相环状流液膜厚度的测量及修正方法包括以下步骤：

1)在圆管的测量段外布置矩形透明水箱2，在矩形透明水箱2的正面及背面分别设置摄影装置1及光源3，开启光源3，通过摄影装置1拍摄圆管内气液两相环状流相界面的图像，得包含管壁、液膜及气芯的灰度图；

2)对步骤1)得到的灰度图进行数字图像处理，得包含液膜及气芯的二值化图像；

3)提取步骤2)得到的二值化图像中的气液相界面信息，得液膜厚度的成像值h_成像；

4)建立预测圆管壁厚及液膜厚度成像值与真实值之间定量关系的光学成像理论模型，得液膜厚度缩放因子K_液膜；

5)利用步骤4)得到的液膜厚度缩放因子K_液膜对待测量液膜厚度的成像值h_成像进行修正，得待测量液膜厚度的真实值h_真实。

步骤2)的具体操作过程为：

a)从灰度图上分割出包含气液相界面的液膜有效区域；

b)利用对比度调整函数提高灰度图的对比度；

c)利用填充函数对灰度图的空洞区域进行填充，消除液膜中夹带的气泡；

d)将灰度图转化为二值图像；

e)通过填充函数及求反函数消除气芯中夹带的液滴，得包含液膜及气芯的二值化图像。

步骤4)的具体操作为：

设圆管内径及外径分别为r及R，圆管管壁厚度的真实值为R-r，光源3入射光线进入圆管后在圆管内管壁处的入射角为θ₂，光线穿过圆管管壁在矩形透明水箱2水侧的折射角为θ₁，其中，折射光线经矩形透明水箱2的壁面射出后平行进入摄影装置1中，圆管管壁厚度的成像值为R–r–L，其中，变量L为射出圆管的光线与圆管外壁之间的垂直距离；

折射角θ₁满足的几何关系为：

根据斯涅尔定律，入射角θ₂与折射角θ₁满足：

其中，n_水为水的折射率，n_管壁为圆管的折射率；

联立式(1)、式(2)及式(3)，得：

由式(4)可知，当已知圆管内径及外径、光线在水中的折射率n_水及圆管管壁中的折射率n_管壁，即可求得变量L的大小。

来自光源3的入射光线AB从液膜与圆管内壁边界折射后以光线BC进入圆管管壁，光线BC随后在圆管外壁与矩形透明水箱2水侧发生折射后平行射入摄影装置1中，液膜与圆管内管壁处的入射角及折射角分别为θ₄及θ₃，光线在圆管外管壁与矩形透明水箱2水侧处的入射角及折射角分别为θ₂及θ₁，设y₁为射出圆管的光线与圆管轴线之间的垂直距离，则折射角θ₁满足几何关系：

圆管外壁的处入射角θ₂与矩形透明水箱2水侧的折射角θ₁满足：

光线BC的轨迹方程为：

y＝y₁-tan(θ₁-θ₂)(Rcosθ₁-x) (7)

圆OB的轨迹方程为：

x²+y²＝r² (8)

由式(7)及式(8)，得B点的坐标位置(x_B，y_B)；

则线段OB的斜率为：

光线在液膜处的入射角θ₄与圆管内壁处的折射角θ₃满足：

经过液膜的光线AB的方程为：

y＝y_B+x_Btan[θ₄-θ₃-(θ₁-θ₂)] (11)

光线OA的方程为：

y＝r-h (12)

由式(11)及式(12)得A点的坐标(x_A，y_A)，则A点处气液相界面与圆心的距离r_A为：

液膜的真实厚度h为：

h＝r-r_A (14)

液膜厚度的成像值h_成像为：

h_成像＝r+L-y₁ (15)

其中，变量L通过式(4)得到；

则液膜厚度的缩放因子K_液膜为：

步骤5)中液膜厚度的真实值h_真实为：

本发明在具体实施时，只需采用摄影装置1对圆管内气液两相环状流相界面进行拍摄，通过数字图像处理获得液膜厚度成像值，并利用构建的液膜厚度光学成像理论模型对液膜厚度成像值进行修正，即可实现对液膜真实厚度的非侵入、高精度测量，对工业实践中的环状流检测具有重要的指导意义。

Claims (5)

1.一种圆管内气液两相环状流液膜厚度的测量及修正方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在圆管的测量段外布置矩形透明水箱(2)，在矩形透明水箱(2)的正面及背面分别设置摄影装置(1)及光源(3)，开启光源(3)，通过摄影装置(1)拍摄圆管内气液两相环状流相界面的图像，得包含管壁、液膜及气芯的灰度图；

2)对步骤1)得到的灰度图进行数字图像处理，得包含液膜及气芯的二值化图像；

3)提取步骤2)得到的二值化图像中的气液相界面信息，得液膜厚度的成像值h_成像；

4)建立预测圆管壁厚及液膜厚度成像值h_成像与真实值之间定量关系的光学成像理论模型，得液膜厚度缩放因子K_液膜；

5)利用步骤4)得到的液膜厚度缩放因子K_液膜对待测量液膜厚度的成像值进行修正，得待测量液膜厚度的真实值h_真实。

2.根据权利要求1所述的圆管内气液两相环状流液膜厚度的测量与修正方法，其特征在于，步骤2)的具体操作过程为：

a)从灰度图上分割出包含气液相界面的液膜有效区域；

b)利用对比度调整函数提高灰度图的对比度；

c)利用填充函数对灰度图的空洞区域进行填充，消除液膜中夹带的气泡；

d)将灰度图转化为二值图像；

e)通过填充函数及求反函数消除气芯中夹带的液滴，得包含液膜及气芯的二值化图像。

3.根据权利要求2所述的圆管内气液两相环状流液膜厚度的测量及修正方法，其特征在于，

设圆管内径及外径分别为r及R，圆管管壁厚度的真实值为R-r，光源(3)入射光线进入圆管后在圆管内管壁处的入射角为θ₂，光线穿过圆管管壁在矩形透明水箱(2)水侧的折射角为θ₁，其中，折射光线经矩形透明水箱(2)的壁面射出后平行进入摄影装置(1)中，圆管管壁厚度的成像值为R–r-L，其中，变量L为射出圆管的光线与圆管外壁之间的垂直距离；

折射角θ₁满足的几何关系为：

根据斯涅尔定律，入射角θ₂与折射角θ₁满足：

其中，n_水为水的折射率，n_管壁为圆管的折射率；

联立式(1)、式(2)及式(3)，得：

由式(4)可知，当已知圆管内径及外径、光线在水中的折射率n_水及圆管管壁中的折射率n_管壁，即可求得变量L的大小。

4.根据权利要求3所述的圆管内气液两相环状流液膜厚度的测量及修正方法，其特征在于，

来自光源(3)的入射光线AB从液膜与圆管内壁边界折射后以光线BC进入圆管管壁，光线BC随后在圆管外壁与矩形透明水箱(2)水侧发生折射后平行进入摄影装置(1)中，液膜与圆管内管壁处的入射角及折射角分别为θ₄及θ₃，光线在圆管外管壁与矩形透明水箱(2)水侧处的入射角及折射角分别为θ₂及θ₁，设y₁为射出圆管的光线与圆管轴线之间的垂直距离，则折射角θ₁满足几何关系：

圆管外壁的处入射角θ₂与矩形透明水箱(2)水侧的折射角θ₁满足：

光线BC的轨迹方程为：

y＝y₁-tan(θ₁-θ₂)(Rcosθ₁-x) (7)

圆OB的轨迹方程为：

x²+y²＝r² (8)

由式(7)及式(8)，得B点的坐标位置(x_B，y_B)；

则线段OB的斜率为：

光线在液膜处的入射角θ₄与圆管内壁处的折射角θ₃满足：

经过液膜的光线AB的方程为：

y＝y_B+x_Btan[θ₄-θ₃-(θ₁-θ₂)] (11)

光线OA的方程为：

y＝r-h (12)

由式(11)及式(12)得A点的坐标(x_A，y_A)，则A点处气液相界面与圆心的距离r_A为：

液膜的真实厚度h为：

h＝r-r_A (14)

液膜厚度的成像值h_成像为：

h_成像＝r+L-y₁ (15)

其中，变量L通过式(4)得到；

则液膜厚度的缩放因子K_液膜为：

5.根据权利要求4所述的圆管内气液两相环状流液膜厚度的测量及修正方法，其特征在于，液膜厚度的真实值h_真实为：