CN109297554A - 用于测量t型管内液相流量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于测量T型管内液相流量的方法，该方法包括：估算多色光源的吸光度；计算流速稳定后的液膜图像的液膜厚度分布图；对液膜厚度分布图进行图像偏转修正；基于校正后的分布图计算平均液膜横截面积和平均液膜流速，并对液膜流速的准确度进行验证；基于平均液膜横截面积和平均液膜流速计算液膜流量，并进行流量稳定性评价。该方法可以实现对于T形管每个截面上的液膜厚度进行实时测量，也可以实现在不干扰液相的情况下对于T形管内液相速度场的准实时测量。实验结果显示，使用本方法测定环状上升流时，本测量T型管主管下段的质量流量的误差在5％左右，主管上段的质量误差在15％左右，皆优于目前常用的探针法、霍尔流量计等测量方法。

Description

用于测量T型管内液相流量的方法

技术领域

本发明涉及一种液体流量的测量方法，具体地说涉及一种T型三通管环状流液相流量测量方法。

背景技术

气液环状流是一种常见的两相流形，广泛存在于制冷、化工、动力等诸多领域的热交换设备中。由于环状流的液相流量与热质交换效率关系密切，因此，实现对管内环状流液相组分精确测量具有重要的意义。

纵观现有的测量手段，按照测量流量时是否将气液两相进行相分离，将测量方法分为分离法和非分离法。分离法就是利用分离设备将两相流分成气液单相后再分别测量，这类方法不受流型变化的影响，但是分离器的体积庞大，使用不便。非分离法不需要对两相流进行相分离，例如常规流量计组合测量法、电容层析成像法、流量计与射线密度计组合测量法、脉动法、核磁共振法、放射性同位素示踪法等等。以上方法大多容易受两相流波动的影响，有些方法使用的设备过于昂贵。

近年来，随着数字摄像技术的发展，数字剪影方法逐渐在液膜厚度测量领域，尤其是在下降流分析领域得到应用，这为实现基于数字摄像技术的流量测定打下了基础。利用数字剪影技术对拍摄到的液膜图像进行处理，可以提取出视野内所有位置的液膜厚度，且不会破坏流场。但目前常用的基于红外光的数字剪影液膜厚度测量技术需要严格限制光源波长，这大大增加了实验的难度和工作量。

发明内容

发明目的：针对现有技术的不足，本发明提出一种T型三通管环状流液相流量测量方法，以改进对于T型三通管内环状流液膜厚度分布规律与液相质量流量的测量。

技术方案：本发明的用于测量T型管内液相流量的方法包括如下步骤：(1) 估算要测量的液体在所述T型管中对多色光源的吸光度；(2)在所述T型管中通入所述液体的两相流，且在所述多色光源下拍摄从未通入两相流时起至通入两相流且流速稳定一段时间后的一组液膜图像，结合步骤(1)中估算的吸光度得到流速稳定后的液膜图像的一组液膜厚度分布图；(3)使用透视变换对所述组液膜厚度分布图中的T型管倾斜度进行校正；(4)将校正后的液膜厚度分布图分成许多紧挨着的矩形小窗口，计算每一小窗口的平均液膜横截面积；(5)使用基于互相关性分析的图像特征匹配算法对校正后的拍摄时间相邻的两幅液膜厚度分布图进行计算，得到每一小窗口的平均液膜流速；(6)基于所述平均液膜横截面积和所述平均液膜厚度计算所述T型管内液相流量。

进一步地，步骤(1)进一步包括：(1.1)在所述T型管位置处放置空水槽，拍摄其参考图像I_emp；(1.2)在空水槽内壁上淋出一些水滴，拍摄图像I_w；(1.3) 求解其中，(x,y)为每个像素的坐标；(1.4)在图像I_w上选取一个直径不超过3mm的水滴，将所述水滴视为半球形，测量所述水滴的球心位置和半径并求得该水滴上每个像素对应位置的厚度d(i)；(1.5)依据如下式子计算所述吸光度k：

其中k(i)分别为水滴上第i个像素处的吸光度，j为该水滴上所含的总像素数。

进一步地，步骤(2)进一步包括：(2.1)测量未通入两相流时的液膜图像中 T型三通管内各像素点的亮度，作为各像素点的参考亮度；(2.2)从通入两相流后的液膜图像中选取流速稳定后的多张液膜图像，测量流速稳定后的每幅液膜图像中T型三通管内各像素点的实际亮度；(2.3)针对稳定后的多张液膜图像中的每一者，基于T型三通管内各像素点的参考亮度、流速稳定后的亮度以及所述吸光度得到液膜厚度分布图。

进一步地，在步骤(2.2)中，T型三通管内各像素点的平均液膜厚度是依据如下式子计算得到的：

其中k为所述吸光度，I_ref各像素点在所述多色光源下的参考亮度，I_ref{n}为各像素点在所述多色光源中第n色光源下的参考亮度，I为各像素点在所述多色光源下的实际亮度。

进一步地，在步骤(4)中，所述T型管内每一小窗口的平均液膜横截面积是依据如下式子得到的：

其中，为所述T型管内每一小窗口的平均液膜横截面积，r为所在位置q处的T 型管管腔半径，d_q(i)为横截面不同位置上的液膜厚度，n为该小窗口做出的总切片数。

进一步地，在步骤(4)中，所述T型管内每一小窗口的平均液膜流速的计算包括：

计算每一个小窗口在时间间隔Δt后的液膜厚度分布图上的对应位置，进而得到液膜速度场，再在速度场中选取流速稳定的部分，计算这些部分上液膜的平均速度，其中，每一个小窗口的移动速度为：

其中，(x₁,y₁)为所述相邻时段中前一时刻的液膜厚度分布图中的区域W₁的起点坐标，(x₂,y₂)为所述相邻时段中后一时刻的液膜厚度分布图中与所述区域W₁取得最佳匹配时的匹配区域W₂的起点坐标。

进一步地，在步骤(4)中：当所述液膜流量为主管上段或支管部分的液膜流量时，通过以下式子计算所述液膜流量：

其中，为T型管内特定小窗口的截面上液相所占平均面积，为流过该小窗口的液体平均速度，ρ为液体密度；当所述液膜流量为主管下段的液膜流量时，通过以下式子计算所述液膜流量：

Q_MT＝Q_MB-Q_BR

其中Q_MT、Q_MB和Q_BR分别为主管上段、主管下段和支管部分的平均液膜流量。

有益效果：与现有技术相比，本发明提出的T型三通管环状流液相流量测量方法可以实现对于T形管每个截面上的液膜厚度进行实时测量，同时也可以实现在不干扰液相的情况下对于T形管内液相速度场的准实时测量。实验结果显示，使用本方法测定环状上升流时，本测量T型管主管下段的质量流量的误差在5％左右，主管上段的质量误差在15％左右，皆优于目前常用的探针法、罗茨流量计等测量方法。

附图说明

图1为本发明测量装置的示意图；

图2为CCD探测元件、T型三通管和多色光源的三维位置图；

图3为本发明的测量方法的流程图；

图4(a)和4(b)分别为T型三通管内未通入两相流时和通入两相流后的液膜图像；

图5为根据图4(b)得到的液膜厚度分布图；

图6(a)和6(b)为拍摄间隔Δt＝0.0020s且窗口边长m＝32像素时T型三通管内的流速场，其中图6(b)为图6(a)的细节图像；

图7(a)和7(b)为拍摄间隔Δt＝0.0020s且窗口边长m＝64像素时T型三通管内的流速场，其中图7(b)为图7(a)的细节图像；

图8(a)和8(b)分别为在窗口边长m＝64像素与m＝32像素时相关系数Φ_n的空间分布图像；

图9(a)和9(b)分别为在窗口边长m＝64像素与m＝32像素时相关系数Φ_n的分布直方图；

图10(a)和10(b)分别为在窗口边长m＝64像素与m＝32像素时每一个窗口上的Φ_n值。

具体实施方式

下面结合附图及实施方式对本发明专利作进一步详细的说明。

如图1，本发明采用的测量装置两相流运行部分和图像采集部分，其中，图像采集部分包括：高速摄像机、T型管和补光灯，它们的摆放位置如图2所示。两相流运行部分包括水泵、罗茨鼓风机、液体流量计、罗茨流量计、T型管和连接用的水管。实验测试段为石英玻璃制作的T型管，主管长250mm，外径为50 mm，支管位于主管中部，支管长175mm，外径为25mm，且主支管壁厚均为 2.5mm。测试段主管竖直，以T型管主管下口为两相流入口。

实验时，首先拍摄为通入两相流时的空管图像，然后，保持所有仪器位置不变且光源发光情况(包括波长和强度)不变，以鼓风机鼓入空气，水泵泵入水，混合后，由T型管的主管下段进入T型管，待两相流稳定后，拍摄通入两相流后的图像。同时，在出口(即支管与主管上段)连接水管，将废水接入准备好的水桶内，回收利用。

如图3，本发明的测量方法的总体流程包括：

步骤一：多色光源的吸光度k值计算。本发明采用的方法如下：

(1)首先在T形管位置处置一空水槽，拍摄其参考图像I_emp；

(2)在水槽内壁上淋出一些水滴，拍摄图像I_w；

(3)求解其中，(x,y)为每个像素的坐标；

(4)在图像I_w上选取一个直径不超过3mm的水滴。因为该水滴的表面张力远大于其重力，此时，该水滴呈半球形；

(5)求出该水滴的球心位置和半径，求得该水滴上每个像素对应位置的厚度，代入公式(9)，计算求得k值。其中，k(i)与d(i)分别为该水滴上第i个像素处的k 值与厚度，j为该水滴上所含的总像素数。

步骤二：液膜厚度计算。

使用步骤一种的多色光源分别拍摄不通入两相流时的T型管空管与通入两相流后的T型管图像，得到的图像分别如图4(a)与4(b)所示。使用数字减影技术结合比尔-朗勃定律求得如图5所示的T型三通管内在图4(b)拍摄时刻的液膜厚度分布图。

设I_ref为参考亮度，即图4(a)中未通入两相流时的亮度。则，由于补光灯为非相干光源，I_ref可以看做是其中每种波长光线亮度(分别设为I_ref{0}，I_ref{1}， I_ref{2}，...)的叠加：

由比尔-朗勃定律可知，某种波长的光线在图像上某点的透过量与该点液膜厚度之间有如下关系：

其中，I{n}为该点通入两相流后该波长光线的透过量。为该点液膜厚度的平均值，d₁和d₂分别为光线在传播过程中穿过的两层液膜的厚度。k_n为液膜在该波长的光线下的吸光度。

又可知，通入两相流后该点的亮度I，可以表示为：

使用Maclaurin公式展开上式，有：

由于高速摄像机采集的光线波段为可见光波段，由于在可见光波段，纯水的 k_n<<1cm^-1，则有：因此，对(5)式仅保留零次方和一次方项，有：

由于与液膜厚度无关，故可引入一个比例系数k，并设因此，(6)式可变换为：

为进一步减小误差，采用如下公式计算液膜的平均厚度

观察采集到的T形管图像，可以发现，在图像中，有许多变亮的位置，这些位置求出的这是由于液膜的透镜现象造成的光线汇聚导致的。传统的方法为直接置这些位置的液膜厚度为0，这样无疑会对算出的流量造成误差。本文发现，如果将这些亮点位置的光路倒转，则可以将光线的汇聚看作一个反向的光线吸收过程，则根据公式(8)，在这些位置，有：

其中，为这些位置处的液膜平均厚度。由此，可得液膜平均厚度的计算公式为：

如此，便可以计算得到T形管内的液膜厚度分布图。

步骤三：图像偏转修正。

使用透视变换对T型管的倾斜进行校正，即：使用透视变换，校正图4(b) 中由主管边缘与支管边缘反向延长线围成的四边形Q₁Q₂Q₃Q₄，得到旋转矩阵，进而校正图像。同时，该四边形还是T形管各部分的界线，这些部分包括：主管上段(MT)、主管下段(MB)、支管部分(BR)与连接部分(CO)。

步骤四：液膜横截面积计算。

将校正后的液膜厚度分布图分成许多紧挨着的矩形小窗口，并依据下列式子计算每一小窗口的平均液膜横截面积

其中，r为所在位置q处的T型管管腔半径，d_q(i)为横截面不同位置上的液膜厚度，n为该小窗口做出的总切片数。

步骤五：液膜流速计算；该步骤具体包括计算每一个矩形小窗口在时间间隔Δt后的液膜厚度分布图上的对应位置，进而得到液膜流速场，再在流速场中选取流速稳定的部分，计算这些部分上液膜的平均速度。

其中，计算每一个矩形窗口的移动速度的方法为：

即计算图像D₂中计算与图像D₁中以点(x₁,x₂)为起点，边长为m的区域W₁取得最佳匹配时的匹配区域W₂的起始点坐标(x₂,y₂)，然后求得区间W₁内液膜的平均流速v(x₁,y₁)。其中，坐标(x₂,y₂)的计算方法为：

由于在PIV算法中，边长为m，起点的坐标为(1,1)的正方形窗口W₁对窗口W₂中的边长为m的正方形子窗口w_n中以点(x₀,y₀)为起点的区域的相关系数计算公式为：

当位移不超过边长m的0.5倍时，使用公式(B1)可以得到较为准确的结果。因此，通过使相邻w_n重合一半面积，可以对于所有的位移情况都加以较好的计算。

为简化计算，使用基于FFT的PIV互相关算法代替(B1)式进行计算。令

则有：

其中，为以窗口w_n中的点(i,j)为起点时的的相关系数。计算得到 W₂中取得最大值的位置，其坐标(x_max,y_max)即为相关性最大的匹配方案的起始位置，即要求的点(x₂,y₂)的坐标。

步骤六：流量计算。

在实际研究中，研究T型管环状流流量，需要分别对主管上段(MT)、主管下段(MB)、支管部分(BR)的平均流量(分别以Q_MT、Q_MB、Q_BR表示)加以测量。由流量的定义可知，T型管每一部分的液相质量流量Q等于单位时间里通过过流断面的流体质量，即：

其中，为T型管某一部分的截面上液相所占平均面积，为流过该部分的液体平均速度，ρ为液体密度。

但是，由于主管上段液膜的流速过小，其流量难以测量，因此，采用下面的公式对主管上段液膜的流量进行计算：

Q_MT＝Q_MB-Q_BR。

计算液膜流量后，可以从时间与空间两个方面对于流量的稳定性进行判断。其中，空间稳定性为T型管每段中不同位置液膜厚度的整齐性。由于当流量稳定时，液膜横截面积的变化直接反映出速度场的稳定性。因此，为得到高精度的结果，在计算T型管每一部分的液相流量时，需要采用液膜横截面积较稳定部分的数据。

时间稳定性为T型管每一部分在一段时间内流量的稳定性，即流量随时间的变化情况(以u(t)表示)。选取长度为L的管腔，当管腔内液体的流量发生改变时，必然会出现管腔内液体体积的增加或减少。因此，可以考虑使用管腔内单位长度上液相体积的变化速度反映出管腔内流量的稳定性。即，由公式(1)可知，有：

其中，Vol(t_n)为t_n时刻长度为L的管腔中的液体体积，N为该段管腔的像素长度，L_i为一个像素所占的长度。

Claims (7)

1.一种用于测量T型管内液相流量的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)估算要测量的液体在所述T型管中对多色光源的吸光度；

(2)在所述T型管中通入所述液体的两相流，且在所述多色光源下拍摄从未通入两相流时起至通入两相流且流速稳定一段时间后的一组液膜图像，结合步骤(1)中估算的吸光度得到流速稳定后的液膜图像的一组液膜厚度分布图；

(3)使用透视变换对所述组液膜厚度分布图中的T型管倾斜度进行校正；

(4)将校正后的液膜厚度分布图分成许多紧挨着的矩形小窗口，计算每一小窗口的平均液膜横截面积；

(5)使用基于互相关性分析的图像特征匹配算法对校正后的拍摄时间相邻的两幅液膜厚度分布图进行计算，得到每一小窗口的平均液膜流速；

(6)基于所述平均液膜横截面积和所述平均液膜厚度计算所述T型管内液相流量。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)进一步包括：

(1.1)在所述T型管位置处放置空水槽，拍摄其参考图像I_emp；

(1.2)在空水槽内壁上淋出一些水滴，拍摄图像I_w；

(1.3)求解其中，(x,y)为每个像素的坐标；

(1.4)在图像I_w上选取一个直径不超过3mm的水滴，将所述水滴视为半球形，测量所述水滴的球心位置和半径并求得该水滴上每个像素对应位置的厚度d(i)；

(1.5)依据如下式子计算所述吸光度k：

其中k(i)分别为水滴上第i个像素处的吸光度，j为该水滴上所含的总像素数。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)进一步包括：

(2.1)测量未通入两相流时的液膜图像中T型三通管内各像素点的亮度，作为各像素点的参考亮度；

(2.2)从通入两相流后的液膜图像中选取流速稳定后的多张液膜图像，测量流速稳定后的每幅液膜图像中T型三通管内各像素点的实际亮度；

(2.3)针对稳定后的多张液膜图像中的每一者，基于T型三通管内各像素点的参考亮度、流速稳定后的亮度以及所述吸光度得到液膜厚度分布图。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在步骤(2.2)中，T型三通管内各像素点的平均液膜厚度是依据如下式子计算得到的：

其中k为所述吸光度，I_ref各像素点在所述多色光源下的参考亮度，I_ref{n}为各像素点在所述多色光源中第n色光源下的参考亮度，I为各像素点在所述多色光源下的实际亮度。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(4)中，所述T型管内每一小窗口的平均液膜横截面积是依据如下式子得到的：

其中，为所述T型管内每一小窗口的平均液膜横截面积，r为所在位置q处的T型管管腔半径，d_q(i)为横截面不同位置上的液膜厚度，n为该小窗口做出的总切片数。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(4)中，所述T型管内每一小窗口的平均液膜流速的计算包括：

计算每一个小窗口在时间间隔Δt后的液膜厚度分布图上的对应位置，进而得到液膜速度场，再在速度场中选取流速稳定的部分，计算这些部分上液膜的平均速度，其中，每一个小窗口的移动速度为：

其中，(x₁,y₁)为所述相邻时段中前一时刻的液膜厚度分布图中的区域W₁的起点坐标，(x₂,y₂)为所述相邻时段中后一时刻的液膜厚度分布图中与所述区域W₁取得最佳匹配时的匹配区域W₂的起点坐标。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(4)中：

当所述液膜流量为主管上段或支管部分的液膜流量时，通过以下式子计算所述液膜流量：

其中，为T型管内特定小窗口的截面上液相所占平均面积，为流过该小窗口的液体平均速度，ρ为液体密度；

当所述液膜流量为主管下段的液膜流量时，通过以下式子计算所述液膜流量：

Q_MT＝Q_MB-Q_BR

其中Q_MT、Q_MB和Q_BR分别为主管上段、主管下段和支管部分的平均液膜流量。