CN112686841A - 一种检测多相混合过程中气泡均匀性的评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种检测多相混合过程中气泡均匀性的评价方法，通过高速摄像机捕捉直接接触换热器中气泡的图像；将气泡进行灰度化处理，通过对灰度化处理的气泡构建力矩模型并且研究力矩的拟合曲线；通过分析力矩拟合曲线剔除具有较大差异的工况，从力矩的拟合曲线中提取两个数据：拐点的时间和平稳时的力矩值，将拐点的时间和平稳时的力矩值与换热系数进行相关性分析，并以此判断多相混合性能的强弱，本发明过程简单，操作性强，易于推广，具有较高的精度，用于作为检验气泡换热效率的方法可以减少在研究实验方向的成本支出，具有非常广阔的应用前景。
Description
技术领域
本申请涉及冶金技术领域，具体而言，涉及一种评价多相混合气泡均匀性的方法。
背景技术
直接接触式热交换器是指载热体和被加热介质通过直接接触进行热交换的热交换器。当前，直接接触式热交换器广泛用于许多工程系统中，例如水脱盐，结晶，太阳能，电力生产和化学工业。因此，了解流动和混合特性以及直接接触式换热器的正确设计和优化至关重要。气泡组的尺寸分布是预测和设计直接接触式热交换器的重要参数。它对分散体相对速率，分散体液滴蒸发时间等具有很大影响。气泡群的模式复杂性(动力学和均匀性)控制着气液接触系统(如直接接触沸腾传热过程)中的传热性能。所有参数和变量都可以由系统中的均匀性表示，因此研究气泡的均匀性变得至关重要。
随着计算视觉技术飞速发展，图像分析技术引起了研究人员的广泛关注。目前图像分析已经应用于多个领域，如：遥感图像识别，通讯领域，生物医学图像识别等，都取得了优异的效果。因此图像处理技术可以表征气泡的均匀性，进而可以表征传热性能，与传统的实验方法相比，它要简单得多。目前，很多学者将图像处理技术运用于处理气泡图像，Xiao等人开发了一种图像分析技术，基于熵理论和代数拓扑的气液接触系统量化气泡图中气泡图案的复杂性演变。Chhabra等人使用图像分析技术来应用均值比来测量空间均匀性。Xu等人开发了用于将像素分布从二进制图像投影到3D域的映射技术，使用倾角法研究气泡的均匀性。但是，此方法中使用的二进制映射不能完美地表示气泡分布。虽然这些方法在气泡均匀性定量研究上取得了较为良好的效果，但不能更加精确的表征气泡分布特性。现致力于寻找一种高效便捷精装的方法用来量化多相混合过程气泡均匀性的方法。。
发明内容
鉴于此，本文将提出一种基于灰度图像的图像处理技术检测多相混合过程中气泡均匀性的方法为实现上述目的。
本发明提供了如下方案：
一种检测多相混合过程中气泡均匀性的评价方法，包括以下步骤：
S1.通过图像采集设备采集气泡图像，得到气泡原始图；
S2.对所述气泡原始图进行灰度化处理，得到气泡灰度图像。
S3.根据所述气泡灰度图像，构建灰度力矩模型，计算所述气泡灰度图像质心对所述气泡灰度图像形心产生的力矩数值，构建力矩拟合曲线模型；
S4.对所述力矩拟合曲线模型进行去噪处理，得到目标气泡力矩拟合曲线模型；
S5.基于所述目标气泡力矩拟合曲线模型，依据换热系数，对气泡均匀性进行评价。
优选地，所述图像采集设备为高速摄像机。
优选地，所述S1还包括，基于三因素四水平正交进行9次图像采集工作，每次采集500张气泡序列图，每张图像的像素为1280*720。
优选地，所述S2包括，使用MATLAB软件对所述气泡原始图进行灰度化处理。
优选地，所述力矩数值为9202169755～13731604897。
优选地，所述S3力矩拟合曲线模型的构建方法包括：
S301.根据所述气泡灰度图像提取灰度值，依据图像形心的计算方法计算所述气泡灰度图像形心；
S302.基于所述气泡灰度图的像素点，将所述像素点的灰度值作为所述像素点的质量和高度，计算所述气泡灰度图质心；
S303.根据所述气泡灰度图像形心和所述浓度场质心，计算所述力矩数值，并构建力矩拟合曲线模型。
优选地，所述S4包括，根据所述力矩拟合曲线模型的曲线走势，进行所述力矩拟合曲线模型的去噪处理。
优选地，所述S5还包括，从所述目标气泡力矩拟合曲线模型中，获取拐点时间与平稳时力矩值，通过所述拐点时间确定所述力矩数值与温度场均匀性因子的相关因子；根据所述相关因子和所述平稳时力矩值，依据换热系数，对气泡均匀性进行评价。
优选地，所述相关因子的范围是33.04～181.86。
优选地，所述平稳时力矩值范围是9464000000～16640000000。
本发明公开了以下技术效果：
本发明过程简单，易操作，容易推广，不仅具备较好的精度，也能减少在研究实验方向的成本支出，具有非常广阔的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为通过高速摄像机捕捉的气泡图像；
图2为经过灰度化处理的图像；
图3为9组工况的力矩拟合曲线；
图4为拐点的时间与换热系数进行相关性分析结果图。
图5为平稳时力矩值与换热系数进行相关性分析结果图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1-5所示，本发明提供了一种检测多相混合过程中气泡均匀性的评价方法，包括以下步骤：
S1.通过图像采集设备采集气泡图像，得到气泡原始图；
S2.对所述气泡原始图进行灰度化处理，得到气泡灰度图像。
S3.根据所述气泡灰度图像，构建灰度力矩模型，计算所述气泡灰度图像质心对所述气泡灰度图像形心产生的力矩数值，构建力矩拟合曲线模型；
S4.对所述力矩拟合曲线模型进行去噪处理，得到目标气泡力矩拟合曲线模型；
S5.基于所述目标气泡力矩拟合曲线模型，依据换热系数，对气泡均匀性进行评价。
所述图像采集设备为高速摄像机。
所述S1还包括，基于三因素四水平正交进行9次图像采集工作，每次采集500张气泡序列图，每张图像的像素为1280*720。
所述S2包括，使用MATLAB软件对所述气泡原始图进行灰度化处理。
所述力矩数值为9202169755～13731604897。
所述S3力矩拟合曲线模型的构建方法包括：
S301.根据所述气泡灰度图像提取灰度值，依据图像形心的计算方法计算所述气泡灰度图像形心；
S302.基于所述气泡灰度图的像素点，将所述像素点的灰度值作为所述像素点的质量和高度，计算所述气泡灰度图质心；
S303.根据所述气泡灰度图像形心和所述浓度场质心，计算所述力矩数值，并构建力矩拟合曲线模型。
所述S4包括，根据所述力矩拟合曲线模型的曲线走势，进行所述力矩拟合曲线模型的去噪处理。
所述S5还包括，从所述目标气泡力矩拟合曲线模型中，获取拐点时间与平稳时力矩值，通过所述拐点时间确定所述力矩数值与温度场均匀性因子的相关因子；根据所述相关因子和所述平稳时力矩值，依据换热系数，对气泡均匀性进行评价。
所述相关因子的范围是33.04～181.86。
所述平稳时力矩值范围是9464000000～16640000000。
下面结合附图和具体实施案例进一步说明本发明的实质内容，但本发明的内容并不限于此。
(1)如图1所示，通过高速摄像机捕捉气泡图像，每次包含500张序列图，三因素四水平正交共计九次实验，每张图的像素大小为1280*720；
(2)使用MATLAB软件将气泡图像进行灰度化处理，处理结果具体见图2；
(3)构建力矩模型计算气泡图像质心对其形心产生的力矩，并建立拟合曲线，具体见图3,工况的力矩数据见表1；
表1
| 工况 | 力矩数据 |
| 1 | 13731604897 |
| 4 | 11508756879 |
| 5 | 11321787469 |
| 6 | 9202169755 |
| 7 | 12689374742 |
| 8 | 10872676215 |
| 9 | 10625202657 |
(4)通过图3可以明显看出L2和L3工况的曲线与其他工况曲线差别较大，其他工况拟合曲线为“S”型，L2和L3的曲线为倒“S”型，剔除掉这两组工况。
(5)从拟合曲线中获取相关因子与平稳时力矩值这两个因素，具体见表2，表3。
表2
| 工况 | 力矩与温度场均匀性因子相关性 |
| 1 | 126.3 |
| 4 | 181.86 |
| 5 | 100.95 |
| 6 | 33.04 |
| 7 | 171.07 |
| 8 | 66.51 |
| 9 | 61.8 |
表3
(6)将拐点的时间与平稳时的力矩值这两个因素与换热系数进行相关性分析，判断混合性能的强弱，换热系数见表4，拟合结果见图4，图5。
表4
| 力矩 | 换热系数 |
| 1 | 0.96 |
| 4 | 0.83 |
| 5 | 1.2 |
| 6 | 1.44 |
| 7 | 0.75 |
| 8 | 1.11 |
| 9 | 1.19 |
步骤(3)，力矩的计算方法：
计算步骤：
步骤1：将每张气泡图像的灰度值提取出来。
步骤2：设定基本参数，例如颗粒重量。
步骤3：计算出图像的形心。
步骤4：以气泡灰度图每个像素点的灰度数据作为该点的质量和高度，计算出浓度场的质心。
步骤5：计算气泡灰度图质心对其形心产生的力矩。
参数设置如下：气泡灰度图像的每个像素点都被视为一个立方体块，每个立方体的面积为(1个像素)X(1个像素)，高度为气泡灰度图的灰度数据。这样把气泡灰度图数据构建了3D模型，3D模型的重心由重心计算原理确定，重心的计算公式可写为：
x＝∑(Gi*xi)/G
y＝∑(Gi*yi)/G
z＝∑(Gi*zi)/G
以图像的列为Y轴，以图像的行为X轴。垂直于XY平面的线是Z轴。因此，每列用于表示yi，每行用于表示xi，而图形的每层高度用于表示zi。每行和每列中灰度值的累加用于表示Gi。整个图像的灰度值之和表示为G。通过结合重心公式获得3D图像的重心，然后确定重心与原始图像的质心之间的距离，用D表示，α表示重心和质心之间的倾斜角。最后，力矩的的公式是：
M＝D*G*cosα。
本发明过程简单，易操作，容易推广，不仅具备较好的精度，也能减少在研究实验方向的成本支出，具有非常广阔的应用前景。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释，此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种检测多相混合过程中气泡均匀性的评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.通过图像采集设备采集气泡图像，得到气泡原始图；
S2.对所述气泡原始图进行灰度化处理，得到气泡灰度图像。
S3.根据所述气泡灰度图像，构建灰度力矩模型，计算所述气泡灰度图像质心对所述气泡灰度图像形心产生的力矩数值，构建力矩拟合曲线模型；
S4.对所述力矩拟合曲线模型进行去噪处理，得到目标气泡力矩拟合曲线模型；
S5.基于所述目标气泡力矩拟合曲线模型，依据换热系数，对气泡均匀性进行评价。
2.根据权利要求1所述一种检测多相混合过程中气泡均匀性的评价方法，其特征在于：
所述图像采集设备为高速摄像机。
3.根据权利要求1所述一种检测多相混合过程中气泡均匀性的评价方法，其特征在于：
所述S1还包括，基于三因素四水平正交进行9次图像采集工作，每次采集500张气泡序列图，每张图像的像素为1280*720。
4.根据权利要1所述一种检测多相混合过程中气泡均匀性的评价方法,其特征在于：
所述S2包括，使用MATLAB软件对所述气泡原始图进行灰度化处理。
5.根据权利要求1所述一种检测多相混合过程中气泡均匀性的评价方法,其特征在于：
所述力矩数值为9202169755～13731604897。
6.根据权利要求1所述一种检测多相混合过程中气泡均匀性的评价方法，其特征在于：
所述S3力矩拟合曲线模型的构建方法包括：
S301.根据所述气泡灰度图像提取灰度值，依据图像形心的计算方法计算所述气泡灰度图像形心；
S302.基于所述气泡灰度图的像素点，将所述像素点的灰度值作为所述像素点的质量和高度，计算所述气泡灰度图质心；
S303.根据所述气泡灰度图像形心和所述浓度场质心，计算所述力矩数值，并构建力矩拟合曲线模型。
7.根据权利要求1所述一种检测多相混合过程中气泡均匀性的评价方法，其特征在于：
所述S4包括，根据所述力矩拟合曲线模型的曲线走势，进行所述力矩拟合曲线模型的去噪处理。
8.根据权利要求1所述一种检测多相混合过程中气泡均匀性的评价方法,其特征在于：
所述S5还包括，从所述目标气泡力矩拟合曲线模型中，获取拐点时间与平稳时力矩值，通过所述拐点时间确定所述力矩数值与温度场均匀性因子的相关因子；根据所述相关因子和所述平稳时力矩值，依据换热系数，对气泡均匀性进行评价。
9.根据权利要求8所述一种检测多相混合过程中气泡均匀性的评价方法,其特征在于：
所述相关因子的范围是33.04～181.86。
10.根据权利要求8所述一种检测多相混合过程中气泡均匀性的评价方法,其特征在于：
所述平稳时力矩值范围是9464000000～16640000000。
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