CN114636487A - 一种喷雾场液滴群温度和速度同步测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种喷雾场液滴群温度和速度同步测量方法，属于多相流测试领域。本发明将单个液滴看成颗粒，根据颗粒之间的位移和时间关系计算出速度场，从而实现液滴喷雾场的速度和温度的同步测量；利用互相关算法计算液滴群的速度场，同时采用图像匹配算法对液滴位置进行一一匹配，根据磷光强度比计算出液滴群温度，根据液滴群温度对t₁时刻磷光图像进行重建，重新计算流场速度，反复重复迭代，减小计算误差，从而实现液滴群温度和速度的测量，进一步提高了测量的精度。

Description

一种喷雾场液滴群温度和速度同步测量方法

技术领域

本发明属于多相流测试领域，尤其是一种喷雾场液滴群温度和速度同步测量方法。

背景技术

喷雾中飞行液滴的状态对广泛的工程应用具有重要的意义，包括燃烧、喷雾干燥、喷雾冷却和蒸发等。喷雾是一个三维非定常的物理过程，包括液体的雾化、涡流卷吸与夹带、液滴扩散与蒸发、液滴间相互作用等，涉及湍流、涡动力学、液滴动力学、传热传质等基础问题，属于典型的两相流热物理过程。喷雾中的热传输现象与涡结构相当复杂，需要精确地测量液滴群的温度和速度才能详细研究喷雾蒸发与掺混过程。目前，常用液滴群速度场测量主要采用PIV方法，将液滴当成颗粒，但仅能实现液滴群速度的测量，无法实现液滴群的温度和速度的同步测量。常用测量液滴温度场的方法：如全球彩虹技术、激光诱导荧光法(LIF)和双色激光诱导荧光法。全球彩虹技术通过将温度与液滴折射率相关联来推断温度，但是非球形液滴存在会对测量带来很大的不确定性。激光诱导荧光利用荧光分子的荧光强度和温度之间关系来推断温度，但受到染料的浓度、激光的强度影响，普适性不高。双色激光诱导荧光可以克服激光诱导荧光的缺点，利用两个荧光光谱之比和温度关系推断温度，但需要两台相机，成本高，且荧光染料对温度的敏感性较低。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种喷雾场液滴群温度和速度同步测量方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种喷雾场液滴群温度和速度同步测量方法，包括以下步骤：

步骤一、在水溶性磷光大分子的磷光寿命内获取t₁、t₂时刻内磷光图像，t₁、t₂时刻磷光图像分别表示为I₁(i,j)、I₂(i,j)，(i,j)代表各个像素点的坐标；

对所述I₁(i,j)、I₂(i,j)进行去噪处理，得到去噪后的磷光图像I_1,d(i,j)和I_2,d(i,j)；

步骤二、对t₁、t₂时刻去噪后的磷光图像I_1,d(i,j)和I_2,d(i,j)进行二值化阈值处理，对两幅阈值图像进行互相关计算，同时剔除错误点数据，得到液滴群的速度场；

步骤三、根据所述液滴群的速度场，利用图像匹配算法对区域内t₁时刻、t₂时刻液滴进行一一匹配，得到同一个液滴在t₁时刻、t₂时刻在图像中位置；提取第m个液滴的t₁时刻的磷光图像信号D_t1,m(i,j)，与之对应t₂时刻液滴磷光图像信号D_t2,m(i,j)；

步骤四、根据液滴的磷光图像信号D_t1,m(i,j)和D_t2,m(i,j)，计算磷光强度比S₂/S₁，基于磷光强度比S₂/S₁，求得磷光寿命τ，再根据磷光寿命τ，求得液滴温度T；

步骤五、在t₁时刻，基于第m个液滴的温度及t₁时刻液滴磷光图像信号D_t1,m(i,j)，根据T→τ和S₂＝S₁/e^Δt/τ，重建所述液滴在t₂时刻液滴磷光图像信号D_t1→t2,m(i,j)，根据t₂时刻重建的液滴磷光图像信号D_t1→t2,m(i,j)及t₁时刻液滴空间位置，重建t₁时刻磷光图像I_1,re(i,j)；

步骤六、基于t₁时刻重建磷光图像I_1,re(i,j)和t₂时刻磷光图像I_2,d(i,j)进行互相关计算，重新计算喷雾场液滴群速度；基于重新计算喷雾场液滴群速度，利用图像匹配算法对区域内t₁时刻、t₂时刻液滴进行一一匹配，得到同一个液滴在t₁时刻、t₂时刻在图像中位置，同时提取对应单个液滴的两个时刻的图像磷光信号，计算液滴群温度；

步骤七、循环步骤三～步骤七六，直到相邻两次计算的液滴群温度小于预设值，则将最后一次计算的液滴群的温度和速度作为最终结果。

进一步的，对磷光图像I₁(i,j)、I₂(i,j)进行滤波，对滤波后的磷光图像进行二值化处理，二值化后的磷光图像为I_1,f(i,j)、I_2,f(i,j)；

所述二值化以像素为单元，磷光信号I_1,f(i,j)＝1，噪声I_1,f(i,j)＝0；

将二值化图像矩阵与原图像矩阵各个元素相乘，得到去噪后的磷光图像，t₁、t₂时刻去噪后的磷光图像矩阵分别为I_1,d(i,j)、I_2,d(i,j)；

I_1,d(i,j)、I_2,d(i,j)分别为：I_1,d(i,j)＝I_1,f(i,j)*I₁(i,j)，I_2,d(i,j)＝I_2,f(i,j)*I₂(i,j)。

进一步的，步骤一中的水溶性磷光大分子为1-BrNp·Mβ-CD·ROH。

进一步的，步骤一中获取t₁、t₂时刻内磷光图像的过程为：

在磷光大分子衰减过程中对磷光信号进行两次捕捉，每次持续时间为δt。

进一步的，步骤一中磷光寿命τ为：

进一步的，步骤一之前还包括：

利用标定实验建立水溶性磷光大分子磷光寿命和温度之间的关系。

进一步的，步骤七之后还包括：

对于获得液滴群的温度和速度采用多项式插值拟合。

进一步的，预设值为0.1℃。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提出喷雾场液滴群温度和速度同步测量方法，建立磷光寿命和磷光强度比之间的关系式，从而可根据磷光强度比获得液滴温度；将单个液滴看成颗粒，根据颗粒之间的位移和时间关系计算出速度场，从而实现液滴喷雾场的速度和温度的同步测量；把液滴当成单个颗粒，利用互相关算法计算液滴群的速度场，同时采用图像匹配算法对液滴位置进行一一匹配，根据磷光强度比计算出液滴群温度，根据液滴群温度对t₁时刻磷光图像进行重建，重新计算流场速度，反复重复迭代，减小计算误差，从而实现液滴群温度和速度的测量，进一步提高了测量的精度；本发明采用基于磷光寿命测量液滴温度，可以有效消除浓度、激光强度等因素对测量温度的影响。

进一步，本发明选用的水溶性磷光大分子1-BrNp·Mβ-CD·ROH，磷光寿命和温度的敏感度高，磷光寿命长，不会发生氧淬灭。

进一步，本发明设计水溶性磷光大分子磷光寿命和温度的标定实验，同时采用多项式拟合，提高测量精度。

进一步，本发明提出采用滤波、滤波和二值化的方法，对磷光图像进行滤波去噪，同时还能保证原始图像的不失真。

附图说明

图1为喷雾场液滴群温度和速度同步测量装置；

图2为水溶性磷光大分子磷光强度随时间的变化关系；

图3为不同温度下水溶性磷光大分子磷光寿命；

图4为基于磷光特性反演互相关算法流程图；

其中：01-高压氮气瓶；02-进气管；03-水浴加热控制箱；04-送液管；05-喷嘴；06-激光薄片；07-喷雾场；08-高速摄像机；09-第一连接线；10-同步控制器；11-第二连接线；12-数据处理系统；13-第三连接线；14-脉冲激光器；15-柱面镜。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，图1为喷雾场液滴群温度和速度同步测量装置，喷雾场液滴群温度和速度同步测量装置包括：激光系统、喷雾系统、图像捕捉系统和数据处理系统，具体的，激光系统主要采用脉冲激光器14发出的一束激光，通过柱面镜15后在喷雾场中形成激光薄片06，从而激发液滴发出磷光；喷雾系统主要由氮气瓶01、水浴加热控制箱03和喷嘴05组成，水浴加热控制箱03中装有水溶性磷光大分子的水溶液，可通过水浴加热控制箱03的控制溶液的温度，利用高压氮气瓶01控制喷嘴05的上游压力，从而形成喷雾场07。图像捕捉系统主要由高速摄像机08以及同步控制器10组成，用于捕捉不同时刻下液滴的磷光图像。数据处理系统12根据图像捕捉系统得到的磷光图像，利用基于磷光特性反演互相关算法得到喷雾场液滴群的速度场和温度场信息。

高压氮气瓶01通过进气管02连接有水浴加热控制箱03，水浴加热控制箱03的出口通过送液管04连接有喷嘴05，喷嘴05用于喷出喷雾场07；脉冲激光器14通过第三连接线13连接有数据处理系统12，数据处理系统12通过第二连接线11连接有同步控制器10，同步控制器10通过第一连接线09连接有高速摄像机08；脉冲激光器14发出射向喷雾场07的激光薄片06，脉冲激光器14的激光出口设有柱面镜15。

一种喷雾场液滴群温度和速度同步测量方法的测量原理为：

液滴群温度场的测量基于水溶性磷光大分子1-BrNp·Mβ-CD·ROH的磷光寿命和温度之间具有一一对应关系，且其磷光寿命长，不受氧淬灭的影响。其中水溶性磷光大分子是由1-溴代萘(1-BrNp)、麦芽糖基β-环糊精(Mβ-CD)和脂肪醇(ROH)组成，其配制浓度分别为：1×10^-5mol/L、2×10^-4mol/L和0.03mol/L。利用脉冲激光激发液滴中的水溶性磷光大分子发出磷光后，在磷光衰减过程中对磷光信号进行两次捕捉，两次捕捉时间间隔为Δt，每次持续时间为δt，参见图2，图2为水溶性磷光大分子磷光强度随时间的变化关系。利用高速摄像机08获得液滴的磷光强度，对两次持续时间δt时间内的磷光强度分别进行积分获得磷光强度S₁和S₂，基于S₁与S₂的比值和时间间隔Δt，根据公式

获得水溶性磷光大分子的磷光寿命。同时，开展水溶性磷光大分子的磷光寿命和温度之间标定实验，从而建立起磷光寿命和温度之间的对应关系，参见图3，图3为不同温度下水溶性磷光大分子磷光寿命。最后，利用多项函数拟合建立磷光寿命和温度之间的关系，提高测量精度。

根据不同温度下分子发出磷光的寿命及其衰减特性不同这一原理，通过在两次不同时刻对分子磷光强度进行捕捉来确定磷光的寿命和衰减特性，进而获得流体温度，可以消除水溶性磷光大分子的浓度、激光强度等外界环境的因素对测量温度的影响。

一种喷雾场液滴群温度和速度同步测量方法，包括以下步骤，参见图4，：

液滴群速度场的测量是将单个液滴看成颗粒，根据相邻两个时刻颗粒运动的位移和时间之间的关系得到流场的速度。由于随着时间的推移，液滴的磷光强度逐渐衰减，对单个粒子的匹配造成困难。利用基于磷光特性的反演互相关算法，可实现液滴位置精准匹配。具体可描述为：首先在水溶性磷光大分子的磷光寿命内，利用高速摄像机连续获得两个时刻t₁、t₂时刻内磷光图像，分别表示为I₁(i,j)、I₂(i,j)，其中，(i,j)代表各个像素点的坐标，随后对图像进行一系列处理，主要步骤如下：

步骤一：图像预处理

对t₁、t₂时刻的磷光图像进行去噪处理，同时保证图像不失真。采用均值滤波、中值滤波、高斯滤波器对图像进行预处理，去除背景噪声，同时对滤波后的图像进行二值化处理，二值化后图像可表示为I_1,f(i,j)、I_2,f(i,j)(以像素为单元，磷光信号I_1,f(i,j)＝1，噪声I_1,f(i,j)＝0)，将二值化图像矩阵与原图像矩阵各个元素相乘，得到去噪后的磷光图像，I_1,d(i,j)＝I_1,f(i,j)*I₁(i,j)，I_2,d(i,j)＝I_2,f(i,j)*I₂(i,j)；

步骤二：液滴群初始速度场计算

对两个时刻去噪后的磷光图像I_1,d(i,j)和I_2,d(i,j)进行二值化阈值处理，随后对两幅阈值图像进行互相关计算，同时剔除错误点数据，得到液滴群的速度场。

步骤三：液滴位置匹配

根据互相关算法计算得到的速度场，利用图像匹配算法对区域内t₁时刻、t₂时刻液滴进行一一匹配，得到同一个液滴在t₁时刻、t₂时刻在图片具体中位置，同时提取对应第m个液滴的磷光图像信号D_t1,m(i,j)，与之对应t₂时刻液滴的磷光图像信号为D_t2,m(i,j)。

步骤四：液滴温度计算

根据两个不同时刻单个液滴的磷光图像信号D_t1,m(i,j)和D_t2,m(i,j)，计算磷光强度比S₂/S₁，根据磷光强度比和磷光寿命的τ的关系，得到磷光寿命τ，再根据磷光寿命的温度之间的关系，获得液滴温度T(S₂/S₁→τ→T)；

步骤五：t₁时刻喷雾图像重构

在t₁时刻，根据单个液滴的温度以及该时刻液滴磷光图像信号D_t1,m(i,j)，根据T→τ和S₂＝S₁/e^Δt/τ，重建该液滴在t₂时刻液滴磷光图像信号D_t1→t2,m(i,j)，根据t₂时刻液滴磷光图像信号D_t1→t2,m(i,j)以及t₁时刻液滴空间位置，重建t₁时刻磷光图像I_1,re(i,j)。此时，磷光图像I_1,re(i,j)相当于当t₁时刻液滴不运动，到t₂时刻采用高速相机获得的磷光图像；

步骤六：液滴群温度重新计算

利用t₁时刻重建磷光图像I_1,re(i,j)和t₂时刻磷光图像I_2,d(i,j)进行互相关计算，重新计算喷雾场液滴群速度。基于重新计算喷雾场液滴群速度，利用图像匹配算法对区域内t₁时刻、t₂时刻液滴进行一一匹配，得到两个时刻液滴位置的对应关系，同时提取对应第m个液滴的两个时刻的图像矩阵，计算液滴群温度；

步骤七：迭代重复计算

不断循环步骤三～步骤六，直到相邻两次计算的液滴群温度小于0.1℃，则此时的液滴群的温度和速度为最终计算结果；

步骤八：多项式插值拟合

对于获得液滴群的温度和速度采用多项式插值拟合，进一步提高液滴群的速度和温度的测量精度。

进一步为了更清楚的描述喷雾场液滴群的温度场和速度场过程，开展实验流程如下：

1)进行标定实验，建立水溶性磷光大分子磷光寿命和温度之间的关系；

2)开展喷雾实验，利用高速相机获得不同时刻下喷雾场液滴群的磷光图像；

3)采用基于磷光特性的反演互相关算法处理实验磷光图像，得到液滴群的速度和温度；

4)输出液滴群的温度和速度，分析数据结果。

在图像处理中，可通过滤波、数据插值、数据拟合等操作，提高测量精度。同时，在实验过程中，一方面可以通过缩小拍摄视窗的方法提高图像分辨率。另一方面可增加拍摄次数，如由两次拍摄变为三次拍摄，从而获得三幅连续磷光图像，对其中任意两张磷光图像进行处理后可以得到液滴群的3个温度场处理结果，由于实验过程中拍摄间隔很短(≤1ms)，三次拍摄过程中可认为液滴温度不变，因此不仅可以利用3个温度结果来相互验证，且可以通过求均值的方法来降低测量误差。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种喷雾场液滴群温度和速度同步测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、在水溶性磷光大分子的磷光寿命内获取t₁、t₂时刻内磷光图像，t₁、t₂时刻磷光图像分别表示为I₁(i,j)、I₂(i,j)，(i,j)代表各个像素点的坐标；

对所述I₁(i,j)、I₂(i,j)进行去噪处理，得到去噪后的磷光图像I_1,d(i,j)和I_2,d(i,j)；

步骤二、对t₁、t₂时刻去噪后的磷光图像I_1,d(i,j)和I_2,d(i,j)进行二值化阈值处理，对两幅阈值图像进行互相关计算，同时剔除错误点数据，得到液滴群的速度场；

步骤三、根据所述液滴群的速度场，利用图像匹配算法对区域内t₁时刻、t₂时刻液滴进行一一匹配，得到同一个液滴在t₁时刻、t₂时刻在图像中位置；提取第m个液滴的t₁时刻的磷光图像信号D_t1,m(i,j)，与之对应t₂时刻液滴磷光图像信号D_t2,m(i,j)；

步骤四、根据液滴的磷光图像信号D_t1,m(i,j)和D_t2,m(i,j)，计算磷光强度比S₂/S₁，基于磷光强度比S₂/S₁，求得磷光寿命τ，再根据磷光寿命τ，求得液滴温度T；

步骤五、在t₁时刻，基于第m个液滴的温度及t₁时刻液滴磷光图像信号D_t1,m(i,j)，根据T→τ和S₂＝S₁/e^Δt/τ，重建所述液滴在t₂时刻液滴磷光图像信号D_t1→t2,m(i,j)，根据t₂时刻重建的液滴磷光图像信号D_t1→t2,m(i,j)及t₁时刻液滴空间位置，重建t₁时刻磷光图像I_1,re(i,j)；

步骤六、基于t₁时刻重建磷光图像I_1,re(i,j)和t₂时刻磷光图像I_2,d(i,j)进行互相关计算，重新计算喷雾场液滴群速度；基于重新计算喷雾场液滴群速度，利用图像匹配算法对区域内t₁时刻、t₂时刻液滴进行一一匹配，得到同一个液滴在t₁时刻、t₂时刻在图像中位置，同时提取对应单个液滴的两个时刻的图像磷光信号，计算液滴群温度；

步骤七、循环步骤三～步骤六，直到相邻两次计算的液滴群温度小于预设值，则将最后一次计算的液滴群的温度和速度作为最终结果。

2.根据权利要求1所述的喷雾场液滴群温度和速度同步测量方法，其特征在于，对磷光图像I₁(i,j)、I₂(i,j)进行滤波，对滤波后的磷光图像进行二值化处理，二值化后的磷光图像为I_1,f(i,j)、I_2,f(i,j)；

所述二值化以像素为单元，磷光信号I_1,f(i,j)＝1，噪声I_1,f(i,j)＝0；

将二值化图像矩阵与原图像矩阵各个元素相乘，得到去噪后的磷光图像，t₁、t₂时刻去噪后的磷光图像矩阵分别为I_1,d(i,j)、I_2,d(i,j)；

I_1,d(i,j)、I_2,d(i,j)分别为：I_1,d(i,j)＝I_1,f(i,j)*I₁(i,j)，I_2,d(i,j)＝I_2,f(i,j)*I₂(i,j)。

3.根据权利要求1所述的喷雾场液滴群温度和速度同步测量方法，其特征在于，步骤一中的水溶性磷光大分子为1-BrNp·Mβ-CD·ROH。

4.根据权利要求1所述的喷雾场液滴群温度和速度同步测量方法，其特征在于，步骤一中获取t₁、t₂时刻内磷光图像的过程为：

在磷光大分子衰减过程中对磷光信号进行两次捕捉，每次持续时间为δt。

5.根据权利要求1所述的喷雾场液滴群温度和速度同步测量方法，其特征在于，步骤一中磷光寿命τ为：

6.根据权利要求1所述的喷雾场液滴群温度和速度同步测量方法，其特征在于，步骤一之前还包括：

利用标定实验建立水溶性磷光大分子磷光寿命和温度之间的关系。

7.根据权利要求1所述的喷雾场液滴群温度和速度同步测量方法，其特征在于，步骤七之后还包括：

对于获得液滴群的温度和速度采用多项式插值拟合。

8.根据权利要求1所述的喷雾场液滴群温度和速度同步测量方法，其特征在于，预设值为0.1℃。

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