CN113588155A - 基于图像识别方法的纤维与液滴受力测量装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于纤维与液滴受力测量技术领域，公开了一种基于图像识别方法的纤维与液滴受力测量装置，包括空气压缩机、第一限压阀、电磁阀、第二限压阀、第一高速摄像机、计算机、空气过滤装置、稳流管、第二高速摄像机、液滴、尼龙纤维、支撑板和光源。该测量装置拍摄悬挂在纤维上液滴的顶视图与侧视图，识别液滴在横向气流作用下的动态重心位置，建立液滴受力的力平衡与动量矩平衡方程，计算得到气流对液滴横向拖曳力和纤维对液滴的拉力。本发明的装置结构简单，通过计算能够获得纤维上的液滴在横风作用下受到的气流拖曳力和纤维拉力，在纤维过滤介质的气液分离、纤维表面喷涂等技术领域能够得到很好的应用。

Description

基于图像识别方法的纤维与液滴受力测量装置与方法

技术领域

本发明属于纤维与液滴受力测量技术领域，尤其涉及一种基于图像识别方法的纤维与液滴受力测量装置与方法。

背景技术

在很多工程应用中，设计液滴与纤维作用力分析问题，如采用纤维过滤介质的气液分离、纤维表面喷涂等。由于液滴与纤维尺度较小(10^-3m)，两者之间的作用力(10^-5N)很难通过常规测量方法进行直接测量。为了研究悬挂在纤维上的液滴在横风作用下受到的气流拖曳力和纤维拉力，设计本测量装置与方法。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于图像识别方法的纤维与液滴受力测量装置与方法,以解决上述技术问题。

为解决上述技术问题，本发明的一种基于图像识别方法的纤维与液滴受力测量装置与方法的具体技术方案如下：

一种基于图像识别方法的纤维与液滴受力测量装置，包括空气压缩机、第一限压阀、电磁阀、第二限压阀、第一高速摄像机、计算机、空气过滤装置、稳流管、第二高速摄像机、液滴、尼龙纤维、支撑板和光源，所述空气压缩机通过管子和第一限压阀相连，电磁阀放置在连接第一限压阀和空气过滤器的管子上，稳流管连接空气过滤器，第二限压阀连接稳流管，尼龙纤维依靠支撑板固定在稳流管的出风口处；第一高速摄像机和第二高速摄像机与由计算机相连，液滴位于稳流管的出风口处的尼龙纤维上，光源位于液滴下面。

本发明还公开了一种基于图像识别方法的纤维与液滴受力测量方法，包括如下步骤：

步骤1：调好第一限压阀和第二限压阀的值后打开空气压缩机释放气体，然后打开电磁阀，让压缩后的气体流入实验管道；

步骤2：通过第一高速摄像机和第二高速摄像机拍摄液滴在层流作用下的变形情况并记录在计算机中；

步骤3：最后将第一高速摄像机和第二高速摄像机拍到的图片以及实验数据放置到编好程序的MATLAB中进行分析处理，即可拟合得到液滴的轮廓、识别出液滴的中心点、计算得到液滴的半径，从而对受横向气流力的液滴进行受力分析。

进一步的，步骤3对受横向气流力的液滴进行受力分析的步骤如下：

液滴与纤维中心之间的接触点为O₁，液滴在静态稳定情况下的中心为O₂，液滴横向气流的影响下动态振荡的中心为O₃，液滴中心竖直方向偏移距离为Δz_drop，水平方向偏移距离为Δy_drop，利用三角函数，结合液滴中心在y方向上的偏移距离Δy_drop和椭球液滴的长轴半径R_drop-z，可以得到液滴在纤维上的旋转角α

通过等高线拟合得到的液滴的轮廓且分析出液滴的直径，由椭球液滴半径在笛卡尔坐标系的三个轴方向上的值R_drop-x、R_drop-y和R_drop-z计算得出液滴的质量：

在动力学条件下，结合液滴的半径，得到液滴与纤维轴的转动惯量：

对纤维与液滴接触点取矩，得到力矩平衡方程：

其中:

F_air是横向气流对液滴的拖曳力，N；

是液滴作用于液滴与纤维接触点的振荡力矩，kg·m²/s；

是液滴与纤维旋转角度的角加速度,rad/s²；

根据液滴在受横向气流下所受的四种作用力，建立动量矩平衡方程：

R_drop-x、R_drop-y、R_drop-z、O₁、O₂、O₃通过图像识别方法获得。

本发明的一种基于图像识别方法的纤维与液滴受力测量装置与方法，具有以下优点：

本发明的装置结构简单，通过计算能够获得纤维上的液滴在横风作用下受到的气流拖曳力和纤维拉力，在纤维过滤介质的气液分离、纤维表面喷涂等技术领域能够得到很好的应用。

附图说明

图1为本发明的基于图像识别方法的纤维与液滴受力测量装置结构示意图；

图2为横向气流在单根纤维上的液滴示意图，箭头所示的气流具有垂直于纤维的方向和重力方向的速度；

图3为液滴中心垂直方向偏移距离和水平方向偏移距离的动态变化图；

图4为本发明的实验过程中纤维拉力和气体拖曳力的变化曲线图。

图中标记说明：1、空气压缩机；2、第一限压阀；3、电磁阀；4、第二限压阀；5、第一高速摄像机；6、计算机；7、空气过滤装置；8、稳流管；9、第二高速摄像机；10、液滴；11、尼龙纤维；12、支撑板；13、光源。

具体实施方式

为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种基于图像识别方法的纤维与液滴受力测量装置与方法做进一步详细的描述。

如图1所示，本发明的基于图像识别方法的纤维与液滴受力测量装置，包括空气压缩机1、第一限压阀2、电磁阀3、第二限压阀4、第一高速摄像机5、计算机6、空气过滤装置7、稳流管8、第二高速摄像机9、液滴10、尼龙纤维11、支撑板12、光源13。所述空气压缩机1通过管子和第一限压阀2相连，电磁阀3放置在连接第一限压阀2和空气过滤器7的管子上，稳流管8连接空气过滤器7，第二限压阀4连接稳流管8，尼龙纤维11依靠支撑板12固定在稳流管8的出风口处；第一高速摄像机5和第二高速摄像机9与由计算机6相连，液滴10位于稳流管8的出风口处的尼龙纤维11上，光源13位于液滴10下面。

空气压缩机1主要是用来提供足够的气压供实验使用，而第一限压阀2是粗略地控制流入实验管道的气压，第二限压阀4则用于精确的控制流入实验管道的气压并记录；电磁阀3是由计算机6控制闭合的，它控制着是否有气体吹向液滴10；而稳流管8则用于保证气体均匀的吹向液滴10；光源13是为了配合第一高速摄像机5和第二高速摄像机9拍摄出清晰的液滴图片，计算机6控制着第一高速摄像机5和第二高速摄像机9的开关及拍摄。

(1)调好第一限压阀2和第二限压阀4的值(第二限压阀4的值每次都要重新调整的)后打开空气压缩机1释放气体，然后打开电磁阀3，让压缩后的气体流入实验管道；

(2)通过第一高速摄像机5和第二高速摄像机9拍摄液滴10在层流作用下的变形情况并记录在计算机6中；

(3)最后将第一高速摄像机5和第二高速摄像机9拍到的图片以及实验数据放置到编好程序的MATLAB中进行分析处理，即可拟合得到液滴的轮廓、识别出液滴的中心点、计算得到液滴的半径，从而可以对受横向气流力的液滴进行如上文技术方案中的受力分析。

先前的研究表明，由于表面张力，液滴往往会滞留在纤维上，直到遇到外力才会迫使液滴与纤维分离。图2展示了椭球液滴悬浮于单个纤维上在横向气流作用下的受力状态。

气流沿着坐标系y轴方向吹向液滴，液滴在气流拖曳力作用下绕纤维中心发生摆动。

液滴在横向气流作用下的受力：

(1)气流拖曳力

横向气流经过液滴时，在绕流液滴过程中产生压力下降，形成沿y方向的气流拖曳力F_air。液滴在气流拖曳力F_air作用下，绕纤维中心O₁发生摆动，液滴中心由O₂运动到O₃。

(2)纤维拉力

液滴悬挂在纤维之上，纤维必然会对液滴产生一个拉力F_fiber。液滴在纤维拉力F_fiber的作用下，会停留在纤维上而不至于脱落。

(3)运动离心力

液滴受到横向气流的作用，就会绕着纤维摆动，在摆动的过程中就会因其惯性而产生运动离心力。液滴在运动离心力作用下会偏离纤维运动。

(4)液滴所受的重力

液滴重力G_drop。

如下对液滴受力进行详细分析：

液滴受横向气流作用时其尺寸参数在逐渐改变。液滴与纤维中心之间的接触点为O₁，液滴在静态稳定情况下的中心为O₂，液滴的中心O₃是在横向气流的影响下动态振荡的。如图2所示，液滴中心竖直方向偏移距离为Δz_drop，水平方向偏移距离为Δy_drop。利用三角函数，结合液滴中心在y方向上的偏移距离Δy_drop和椭球液滴的长轴半径R_drop-z，可以得到液滴在纤维上的旋转角α

通过等高线拟合得到的液滴的轮廓且分析出液滴的直径。由椭球液滴半径在笛卡尔坐标系的三个轴方向上的值R_drop-x、R_drop-y和R_drop-z可以计算得出液滴的质量：

如图2所示，液滴在横向气流的影响下处于摆动状态，即液滴围绕纤维旋转，单根纤维平行于笛卡尔坐标系中的x轴。受液滴自身重力以及表面张力影响，液滴悬挂在纤维上时其气液交界轮廓应与纤维表面无限接近于内切，因此液滴在摆荡的过程中主要围绕纤维轴线作旋转。在动力学条件下，结合液滴的半径，可以得到液滴与纤维轴的转动惯量：

对纤维与液滴接触点取矩，即可得到力矩平衡方程：

其中:

F_air是横向气流对液滴的拖曳力，N；

是液滴作用于液滴与纤维接触点的振荡力矩，kg·m²/s；

是液滴与纤维旋转角度的角加速度,rad/s²。

综上所述，根据液滴在受横向气流下所受的四种作用力，可以建立动量矩平衡方程：

R_drop-x、R_drop-y、R_drop-z、O₁、O₂、O₃通过图像识别方法获得。

实施例：

通过图像法识别图3中的液滴，可以得到R_drop-x＝0.988mm、R_drop-y＝0.969mm、R_drop-z＝1.004mm、Δz_drop＝0.033mm、Δy_drop＝0.033mm。

其中:

R_drop-x是坐标系中的x方向上的液滴半径(mm)；

R_drop-y是坐标系中的y方向上的液滴半径(mm)；

R_drop-z是坐标系中的z方向上的液滴半径(mm)；

Δy_drop是液滴中心在y轴方向上的偏移距离(mm)；

Δz_drop是液滴中心在z轴方向上的偏移距离(mm)。

即可求得液滴的质量m_drop、液滴在纤维上旋转角的正弦值sin(α)和液滴绕纤维旋转的转动惯量I_drop：

再根据力矩平衡方程(式4)

可求得气流拖曳力F_air＝1.365×10^-5N，最后再由动量矩平衡方程

求得纤维对液滴的拉力F_fiber＝3.625×10^-5N。

综上即完成了对悬挂于纤维上液滴的受力分析。

可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

Claims (3)

1.一种基于图像识别方法的纤维与液滴受力测量装置，包括空气压缩机(1)、第一限压阀(2)、电磁阀(3)、第二限压阀(4)、第一高速摄像机(5)、计算机(6)、空气过滤装置(7)、稳流管(8)、第二高速摄像机(9)、液滴(10)、尼龙纤维(11)、支撑板(12)和光源(13)，其特征在于，所述空气压缩机(1)通过管子和第一限压阀(2)相连，电磁阀(3)放置在连接第一限压阀(2)和空气过滤器(7)的管子上，稳流管(8)连接空气过滤器(7)，第二限压阀(4)连接稳流管(8)，尼龙纤维(11)依靠支撑板(12)固定在稳流管(8)的出风口处；第一高速摄像机(5)和第二高速摄像机(9)与由计算机(6)相连，液滴(10)位于稳流管(8)的出风口处的尼龙纤维(11)上，光源(13)位于液滴(10)下面。

2.一种利用如权利要求1所述的基于图像识别方法的纤维与液滴受力测量装置进行纤维与液滴受力测量的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：调好第一限压阀(2)和第二限压阀(4)的值后打开空气压缩机(1)释放气体，然后打开电磁阀(3)，让压缩后的气体流入实验管道；

步骤2：通过第一高速摄像机(5)和第二高速摄像机(9)拍摄液滴(10)在层流作用下的变形情况并记录在计算机(6)中；

步骤3：最后将第一高速摄像机(5)和第二高速摄像机(9)拍到的图片以及实验数据放置到编好程序的MATLAB中进行分析处理，即可拟合得到液滴的轮廓、识别出液滴的中心点、计算得到液滴的半径，从而对受横向气流力的液滴进行受力分析。

3.根据权利要求2所述的基于图像识别方法的纤维与液滴受力测量方法，其特征在于，步骤3对受横向气流力的液滴进行受力分析的步骤如下：

液滴与纤维中心之间的接触点为O₁，液滴在静态稳定情况下的中心为O₂，液滴横向气流的影响下动态振荡的中心为O₃，液滴中心竖直方向偏移距离为Δz_drop，水平方向偏移距离为Δy_drop，利用三角函数，结合液滴中心在y方向上的偏移距离Δy_drop和椭球液滴的长轴半径R_drop-z，可以得到液滴在纤维上的旋转角α

通过等高线拟合得到的液滴的轮廓且分析出液滴的直径，由椭球液滴半径在笛卡尔坐标系的三个轴方向上的值R_drop-x、R_drop-y和R_drop-z计算得出液滴的质量：

在动力学条件下，结合液滴的半径，得到液滴与纤维轴的转动惯量：

对纤维与液滴接触点取矩，得到力矩平衡方程：

其中:

F_air是横向气流对液滴的拖曳力，N；

是液滴作用于液滴与纤维接触点的振荡力矩，kg·m²/s；

是液滴与纤维旋转角度的角加速度,rad/s²；

根据液滴在受横向气流下所受的四种作用力，建立动量矩平衡方程：

R_drop-x、R_drop-y、R_drop-z、O₁、O₂、O₃通过图像识别方法获得。

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