CN115937295B - 一种基于集合思想的气泡形状类型判别方法 - Google Patents

Abstract

本公开关于一种基于集合思想的气泡形状类型判别方法，包括：获取气泡形状在参考坐标系中的三维坐标数据；基于三维坐标数据，对气泡形状进行轮廓拟合，以根据拟合得到的轮廓来确定气泡形状对应的三根主轴，其中，三根主轴相互正交；基于三根主轴中的最长轴和最短轴，确定气泡形状的纵横比，其中，纵横比为最短轴与最长轴的长度比值；确定纵横比是否大于或等于第一阈值；在纵横比大于或等于第一阈值的情况下，确定纵横比属于第一集合；在纵横比属于第一集合的情况下，将气泡形状的类型判别为球状。该方法能够实现自动地、定量地判别气泡形状类型，提升了判别的效率和准确性，为气液两相流中气泡运动的建模和预测提供了支撑。

Description

一种基于集合思想的气泡形状类型判别方法

技术领域

本公开总体说来涉及流体力学技术领域，更具体地讲，涉及一种基于集合思想的气泡形状类型判别方法。

背景技术

气泡在液体中上浮的过程是一种典型的气液两相流，广泛存在于各类自然现象和工业过程中，如矿业领域中矿物的浮选、化工领域中反应器内气液两相的混合等。上浮时，依据气泡自身参数（如直径、内部气体的物性参数）和液相物性参数的不同，气泡会呈现出多种形状和运动路径，并伴随有不同的尾流结构，其中，气泡形状是表征气泡运动的一个重要物理量。

目前已有的判别气泡形状类型的方法，是定性的、人工的，即拍摄气泡的图像，通过肉眼观察，人为地判别其属于哪一种类型。显然，这种判别方法效率较低，且判别标准受个体主观因素影响，使判别结果存在较大不确定性，不利于对气泡运动的建模和预测。

发明内容

本公开提供一种基于集合思想的气泡形状类型判别方法，能够实现自动地、定量地判别气泡形状类型，提升了判别的效率和准确性，有助于对气泡运动的建模和预测。

在一个总的方面，提供一种基于集合思想的气泡形状类型判别方法，包括：获取气泡形状在参考坐标系中的三维坐标数据；基于所述三维坐标数据，对所述气泡形状进行轮廓拟合，以根据拟合得到的轮廓来确定所述气泡形状对应的三根主轴，其中，所述三根主轴相互正交；基于所述三根主轴中的最长轴和最短轴，确定所述气泡形状的纵横比，其中，所述纵横比为所述最短轴与所述最长轴的长度比值；确定所述纵横比是否大于或等于第一阈值；在所述纵横比大于或等于所述第一阈值的情况下，确定所述纵横比属于第一集合；在所述纵横比属于所述第一集合的情况下，将所述气泡形状的类型判别为球状。

可选地，所述基于所述三维坐标数据，对所述气泡形状进行轮廓拟合，以根据拟合得到的轮廓来确定所述气泡形状对应的三根主轴，包括：基于所述三维坐标数据，计算所述气泡形状的归一化二阶中心矩；基于所述气泡形状的归一化二阶中心矩，对所述气泡形状进行椭球体拟合，以使拟合得到的椭球体的归一化二阶中心矩与所述气泡形状的归一化二阶中心矩相等；将所述拟合得到的椭球体的三根主轴作为所述气泡形状对应的三根主轴。

可选地，所述基于所述三维坐标数据，对所述气泡形状进行轮廓拟合，以根据拟合得到的轮廓来确定所述气泡形状对应的三根主轴，包括：基于所述三维坐标数据，对所述气泡形状进行长方体拟合，以使拟合得到的长方体包裹住所述气泡形状，其中，所述拟合得到的长方体为包裹住所述气泡形状的最小外接长方体；针对所述拟合得到的长方体的任意一个顶点，将该顶点对应的三条棱的长度分别作为所述气泡形状对应的三根主轴的长度。

可选地，还包括：在所述纵横比小于所述第一阈值的情况下，确定所述纵横比属于第二集合；在所述纵横比属于所述第二集合的情况下，将所述气泡形状的类型判别为非球状。

可选地，所述参考坐标系包括轴、轴和轴，所述轴和所述轴为水平方向的坐标轴，所述轴为竖直方向的坐标轴，其中，所述将所述气泡形状的类型判别为非球状，所述非球状包括椭球状，包括：将所述气泡形状在所述参考坐标系的平面或平面上进行二维投影，得到投影形状的圆形度参数，其中，所述圆形度参数包括平均圆形度和圆形度方差；确定所述平均圆形度是否大于或等于第二阈值；在所述平均圆形度大于或等于所述第二阈值的情况下，确定所述圆形度参数属于第三集合；或者，在所述平均圆形度小于所述第二阈值的情况下，确定所述平均圆形度是否还大于或等于第三阈值，并确定所述圆形度方差是否小于或等于第四阈值；在所述平均圆形度还大于或等于所述第三阈值并且所述圆形度方差小于或等于所述第四阈值的情况下，确定所述圆形度参数属于所述第三集合；在所述圆形度参数属于所述第三集合的情况下，将所述气泡形状的类型判别为椭球状。

可选地，所述将所述气泡形状在所述参考坐标系的平面或平面上进行二维投影，得到圆形度参数，包括：在气泡运动的情况下，将所述气泡形状在所述参考坐标系的平面或平面上进行二维投影，得到多个时刻对应的投影形状；确定所述多个时刻中的每个时刻对应的投影形状的圆形度，并基于所述每个时刻对应的投影形状的圆形度，确定所述平均圆形度和所述圆形度方差。

可选地，所述圆形度通过以下等式来确定：

，

其中，表示圆形度，表示投影形状的面积，表示投影形状的周长。

可选地，所述非球状还包括非椭球状，其中，所述将所述气泡形状的类型判别为非球状，还包括：在所述平均圆形度还大于或等于所述第三阈值并且所述圆形度方差大于所述第四阈值的情况下，确定所述圆形度参数属于第四集合；或者，在所述平均圆形度小于所述第三阈值的情况下，确定所述圆形度参数属于所述第四集合；在所述圆形度参数属于所述第四集合的情况下，将所述气泡形状的类型判别为非椭球状。

可选地，所述非椭球状包括球帽状，其中，所述将所述气泡形状的类型判别为非椭球状，包括：重新确定所述圆形度方差是否小于或等于所述第四阈值；在所述圆形度方差小于或等于所述第四阈值的情况下，确定所述圆形度参数属于第五集合；在所述圆形度参数属于所述第五集合的情况下，将所述气泡形状的类型判别为球帽状。

可选地，所述非椭球状还包括扁平振荡状，其中，所述将所述气泡形状的类型判别为非椭球状，还包括：在所述圆形度方差大于所述第四阈值的情况下，确定所述圆形度参数属于第六集合；在所述圆形度参数属于所述第六集合的情况下，将所述气泡形状的类型判别为扁平振荡状。

根据本公开的实施例的基于集合思想的气泡形状类型判别方法，在参考坐标系下，综合考虑了能够反映气泡形状几何特征的关键参数，通过确定关键参数是否属于预设集合，来快速地判别气泡形状的类型，易于实施，能够实现自动地、定量地判别气泡形状类型，提升了判别的效率和准确性，为气液两相流中气泡运动的建模和预测提供了支撑。

将在接下来的描述中部分阐述本公开总体构思另外的方面和/或优点，还有一部分通过描述将是清楚的，或者可以经过本公开总体构思的实施而得知。

附图说明

通过下面结合示出实施例的附图进行的描述，本公开的实施例的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：

图1是示出根据本公开的实施例的基于集合思想的气泡形状类型判别方法的流程图；

图2是示出根据本公开的实施例的四种类型的气泡形状的示意图。

具体实施方式

提供下面的具体实施方式以帮助读者获得对在此描述的方法、设备和/或系统的全面理解。然而，在理解本申请的公开之后，在此描述的方法、设备和/或系统的各种改变、修改和等同物将是清楚的。例如，在此描述的操作的顺序仅是示例，并且不限于在此阐述的那些顺序，而是除了必须以特定的顺序发生的操作之外，可如在理解本申请的公开之后将是清楚的那样被改变。此外，为了更加清楚和简明，本领域已知的特征的描述可被省略。

在此描述的特征可以以不同的形式来实现，而不应被解释为限于在此描述的示例。相反，已提供在此描述的示例，以仅示出实现在此描述的方法、设备和/或系统的许多可行方式中的一些可行方式，所述许多可行方式在理解本申请的公开之后将是清楚的。

除非另有定义，否则在此使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与由本公开所属领域的普通技术人员在理解本公开之后通常理解的含义相同的含义。除非在此明确地如此定义，否则术语（诸如，在通用词典中定义的术语）应被解释为具有与它们在相关领域的上下文和本公开中的含义一致的含义，并且不应被理想化或过于形式化地解释。

此外，在示例的描述中，当认为公知的相关结构或功能的详细描述将引起对本公开的模糊解释时，将省略这样的详细描述。

下面将参照图1和图2对根据本公开的实施例的基于集合思想的气泡形状类型判别方法进行详细描述。

图1是示出根据本公开的实施例的基于集合思想的气泡形状类型判别方法的流程图。

参照图1，在步骤S101中，可获取气泡形状在参考坐标系中的三维坐标数据。这里，参考坐标系可包括轴、轴和轴，轴和轴为水平方向的坐标轴，轴为竖直方向的坐标轴。进一步地，气泡形状的三维坐标数据的格式可以是三维的二值化数组，气泡区域对应的值为1，非气泡区域对应的值为0，然而本公开不限于此。

接下来，在步骤S102中，可基于三维坐标数据，对气泡形状进行轮廓拟合，以根据拟合得到的轮廓来确定气泡形状对应的三根主轴。这里，三根主轴相互正交。进一步地，三根主轴的概念可以参考椭球体来理解，具体而言，一个椭球体有三根正交的轴，三根轴的长度分别表示该椭球体在这三根轴对应的三个方向上的直径。

根据本公开的实施例，由于气泡形状可能是不规则的，并非理想的球体或者椭球体，因此，需要对气泡形状的轮廓进行拟合来确定其对应的三根主轴。

在一种可能的实现中，可将轮廓拟合为气泡形状的外接长方体，用该外接长方体的长、宽、高作为气泡形状对应的三根主轴的长度，换言之，可用一个能包裹气泡形状的最小的长方体把气泡包裹起来，然后用该最小的长方体的三根轴作为气泡形状对应的三根主轴。具体而言，可基于三维坐标数据，对气泡形状进行长方体拟合，以使拟合得到的长方体包裹住气泡形状，这里，拟合得到的长方体为包裹住气泡形状的最小外接长方体；然后，可针对拟合得到的长方体的任意一个顶点，将该顶点对应的三条棱的长度分别作为气泡形状对应的三根主轴的长度。通过对气泡形状进行长方体拟合，选择性地忽略了气泡形状的旋转因素，在不考虑误差的情况下，能够减少拟合时的计算量，加速得到拟合结果，节约了资源占用。

在另一种可能的实现中，可计算气泡形状的归一化二阶中心矩，用一个等归一化二阶中心矩的椭球体的三根主轴作为气泡形状对应的三根主轴。具体而言，可基于三维坐标数据，计算气泡形状的归一化二阶中心矩；然后，可基于气泡形状的归一化二阶中心矩，对气泡形状进行椭球体拟合，以使拟合得到的椭球体的归一化二阶中心矩与气泡形状的归一化二阶中心矩相等；然后，可将拟合得到的椭球体的三根主轴作为气泡形状对应的三根主轴。作为示例，可利用MATLAB软件内嵌的regionprops3函数来计算气泡形状的归一化二阶中心矩，但本公开不限于此。通过对气泡形状进行椭球体拟合，能够准确地衡量气泡形状的旋转因素和扁平程度，得到的拟合结果更加精确且合理。

接下来，在步骤S103中，可基于三根主轴中的最长轴和最短轴，确定气泡形状的纵横比。这里，纵横比为最短轴与最长轴的长度比值，可用于衡量气泡形状的扁平程度。进一步地，可通过以下等式（1）来定义纵横比：

 （1）

这里，表示纵横比，表示三根主轴中的最长轴的长度，表示三根主轴中的最短轴的长度。

接下来，在步骤S104中，可确定纵横比是否大于或等于第一阈值。这里，第一阈值可由本领域技术人员根据实际情况来确定，例如，第一阈值可以是0.87，但本公开不限于此。

接下来，在步骤S105中，可在纵横比大于或等于第一阈值的情况下，确定纵横比属于第一集合。

接下来，在步骤S106中，可在纵横比属于第一集合的情况下，将气泡形状的类型判别为球状。

根据本公开的实施例，可在纵横比小于第一阈值的情况下，确定纵横比属于第二集合；然后，可在纵横比属于第二集合的情况下，将气泡形状的类型判别为非球状。通过非球状的气泡形状类型判别，能够考虑到更多类型的气泡形状判别，从而不局限于球状的单一类型判别，提高了方案的整体适用性。

根据本公开的实施例，非球状可包括椭球状，因此，在将气泡形状的类型判别为非球状时，可将气泡形状在参考坐标系的平面或平面上进行二维投影，得到投影形状的圆形度参数，这里，圆形度参数可包括平均圆形度和圆形度方差；然后，可确定平均圆形度是否大于或等于第二阈值；然后，可在平均圆形度大于或等于第二阈值的情况下，确定圆形度参数属于第三集合；或者，可在平均圆形度小于第二阈值的情况下，确定平均圆形度是否还大于或等于第三阈值，并确定圆形度方差是否小于或等于第四阈值；然后，可在平均圆形度还大于或等于第三阈值并且圆形度方差小于或等于第四阈值的情况下，确定圆形度参数属于第三集合；然后，可在圆形度参数属于第三集合的情况下，将气泡形状的类型判别为椭球状。这里，第二阈值、第三阈值和第四阈值可由本领域技术人员根据实际情况来确定，例如，第二阈值可以是0.9，第三阈值可以是0.8，第四阈值可以是0.001，但本公开不限于此。

根据本公开的实施例，在确定投影形状的圆形度参数时，可在气泡运动的情况下，将气泡形状在参考坐标系的平面或平面上进行二维投影，得到多个时刻对应的投影形状；然后，可确定多个时刻中的每个时刻对应的投影形状的圆形度，并基于每个时刻对应的投影形状的圆形度，确定平均圆形度和圆形度方差。作为示例，投影形状的圆形度可通过以下等式（2）来确定：

 （2）

这里，表示圆形度，表示投影形状的面积，表示投影形状的周长。

根据本公开的实施例，非球状还可包括非椭球状，因此，在将气泡形状的类型判别为非球状时，还可在平均圆形度还大于或等于第三阈值并且圆形度方差大于第四阈值的情况下，确定圆形度参数属于第四集合；或者，在平均圆形度小于第三阈值的情况下，确定圆形度参数属于第四集合；然后，可在圆形度参数属于第四集合的情况下，将气泡形状的类型判别为非椭球状。

根据本公开的实施例，非椭球状可包括球帽状，因此，在将气泡形状的类型判别为非椭球状时，可重新确定圆形度方差是否小于或等于第四阈值；然后，可在圆形度方差小于或等于第四阈值的情况下，确定圆形度参数属于第五集合；然后，可在圆形度参数属于第五集合的情况下，将气泡形状的类型判别为球帽状。

根据本公开的实施例，非椭球状还可包括扁平振荡状，因此，在将气泡形状的类型判别为非椭球状时，还可在圆形度方差大于第四阈值的情况下，确定圆形度参数属于第六集合；然后，在圆形度参数属于第六集合的情况下，将气泡形状的类型判别为扁平振荡状。

为了更好地理解上述实施例，下面针对多种形状类型判别的情况，结合图2来进行描述。

不同的气泡形状对应有不同的几何特征，例如，球状气泡近似为球体，其三根正交主轴中的最短轴与最长轴的比值（即纵横比）接近1；而椭球状气泡近似为椭球体，其纵横比小于1。进一步地，可以提取出反映气泡形状几何特征的一些关键参数，将这些参数的取值定义为集合。依据每个参数取值的不同，可将每个集合划分为多个子集。不同子集的组合就对应了气泡形状不同的几何特征，进而对应了不同的形状类型。因此，根据本公开的实施例的基于集合思想的气泡形状类型判别方法，能够通过计算某一气泡形状的多个几何特征参数，判别其所属的集合，进而确定其形状类型。

根据本公开的实施例的气泡形状的类型基于气泡形状的三维坐标数据来确定。作为示例，可将气泡形状分为球状、椭球状、球帽状和扁平振荡状四种类型，图2是示出根据本公开的实施例的四种类型的气泡形状的示意图，参照图2，示意图从左往右分别示出球状、椭球状、球帽状和扁平振荡状的气泡形状。在参考坐标系中，设竖直方向为方向，两个水平方向为、方向，在判别气泡形状类型时所使用的几何特征参数可包括气泡形状的纵横比、气泡形状在平面上二维投影的平均圆形度、气泡形状在平面上二维投影的圆形度方差。

上述几何特征参数的取值可分别定义为集合、和C，如表1所示。

表1 集合定义表

对于每个集合，依据取值的不同可将其划分为多个子集，如表2所示。

表2 集合子集划分表

不同子集的组合就对应了气泡形状不同的几何特征，进而对应了不同的形状类型，如表3所示。

表3 形状类型判别集合表

针对上述四种类型的判别，具体流程阐述如下：

1）计算某一气泡形状的几何特征参数、和，将其取值定义为集合、和C，并划分为不同子集。

2）根据的取值，判别该气泡形状是否属于第一集合。这里，若满足，则该气泡形状属于第一集合，判别该气泡形状的类型为球状。否则，满足，该气泡形状属于第二集合，表明该气泡形状不是球状，可进行下一种类型的判别。

3）根据和的取值，判别该气泡形状是否属于第三集合。这里，若满足，则该气泡形状属于第三集合，判别该气泡形状的类型为椭球状。否则，满足，该气泡形状属于第四集合，表明该气泡形状既不是球状，也不是椭球状，可进行下一种类型的判别。

4）根据和的取值，判别该气泡形状是否属于第五集合。这里，若满足，则该气泡形状属于第五集合，判别该气泡形状的类型为球帽状。否则，满足，该气泡形状属于第六集合，判别该气泡形状的类型为扁平振荡状。

需说明的是，上述各参数所取的判别阈值是大量实验后得到的推荐值，并非不可更改，本领域技术人员可根据实际情况酌情调整。

根据本公开的实施例的基于集合思想的气泡形状类型判别方法，在参考坐标系下，综合考虑了能够反映气泡形状几何特征的关键参数，通过确定关键参数是否属于预设集合，来快速地判别气泡形状的类型，易于实施，能够实现自动地、定量地判别气泡形状类型，提升了判别的效率和准确性，为气液两相流中气泡运动的建模和预测提供了支撑；此外，通过考虑气泡形状的多个几何特征参数，能够复用于多种类型判别的方案中，具有良好的适用性。

虽然已表示和描述了本公开的一些实施例，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本公开的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行修改。

Claims (7)

1.一种基于集合思想的气泡形状类型判别方法，其特征在于，包括：

获取气泡形状在参考坐标系中的三维坐标数据；

基于所述三维坐标数据，对所述气泡形状进行轮廓拟合，以根据拟合得到的轮廓来确定所述气泡形状对应的三根主轴，其中，所述三根主轴相互正交；

基于所述三根主轴中的最长轴和最短轴，确定所述气泡形状的纵横比，其中，所述纵横比为所述最短轴与所述最长轴的长度比值；

确定所述纵横比是否大于或等于第一阈值；

在所述纵横比大于或等于所述第一阈值的情况下，确定所述纵横比属于第一集合；

在所述纵横比属于所述第一集合的情况下，将所述气泡形状的类型判别为球状；

所述基于所述三维坐标数据，对所述气泡形状进行轮廓拟合，以根据拟合得到的轮廓来确定所述气泡形状对应的三根主轴，包括：

基于所述三维坐标数据，对所述气泡形状进行长方体拟合，以使拟合得到的长方体包裹住所述气泡形状，其中，所述拟合得到的长方体为包裹住所述气泡形状的最小外接长方体；

针对所述拟合得到的长方体的任意一个顶点，将该顶点对应的三条棱的长度分别作为所述气泡形状对应的三根主轴的长度；

在所述纵横比小于所述第一阈值的情况下，确定所述纵横比属于第二集合；

在所述纵横比属于所述第二集合的情况下，将所述气泡形状的类型判别为非球状；

所述参考坐标系包括轴、轴和轴，所述轴和所述轴为水平方向的坐标轴，所述轴为竖直方向的坐标轴，其中，将所述气泡形状的类型判别为非球状，所述非球状包括椭球状，包括：

将所述气泡形状在所述参考坐标系的平面或平面上进行二维投影，得到投影形状的圆形度参数，其中，所述圆形度参数包括平均圆形度和圆形度方差；

确定所述平均圆形度是否大于或等于第二阈值；

在所述平均圆形度大于或等于所述第二阈值的情况下，确定所述圆形度参数属于第三集合；或者，

在所述平均圆形度小于所述第二阈值的情况下，确定所述平均圆形度是否还大于或等于第三阈值，并确定所述圆形度方差是否小于或等于第四阈值；

在所述平均圆形度还大于或等于所述第三阈值并且所述圆形度方差小于或等于所述第四阈值的情况下，确定所述圆形度参数属于所述第三集合；

在所述圆形度参数属于所述第三集合的情况下，将所述气泡形状的类型判别为椭球状。

2.如权利要求1所述的气泡形状类型判别方法，其特征在于，所述基于所述三维坐标数据，对所述气泡形状进行轮廓拟合，以根据拟合得到的轮廓来确定所述气泡形状对应的三根主轴，包括：

基于所述三维坐标数据，计算所述气泡形状的归一化二阶中心矩；

基于所述气泡形状的归一化二阶中心矩，对所述气泡形状进行椭球体拟合，以使拟合得到的椭球体的归一化二阶中心矩与所述气泡形状的归一化二阶中心矩相等；

将所述拟合得到的椭球体的三根主轴作为所述气泡形状对应的三根主轴。

3.如权利要求1所述的气泡形状类型判别方法，其特征在于，所述将所述气泡形状在所述参考坐标系的平面或平面上进行二维投影，得到圆形度参数，包括：

在气泡运动的情况下，将所述气泡形状在所述参考坐标系的平面或平面上进行二维投影，得到多个时刻对应的投影形状；

确定所述多个时刻中的每个时刻对应的投影形状的圆形度，并基于所述每个时刻对应的投影形状的圆形度，确定所述平均圆形度和所述圆形度方差。

4.如权利要求3所述的气泡形状类型判别方法，其特征在于，所述圆形度通过以下等式来确定：

，

其中，表示圆形度，表示投影形状的面积，表示投影形状的周长。

5.如权利要求3所述的气泡形状类型判别方法，其特征在于，所述非球状还包括非椭球状，其中，所述将所述气泡形状的类型判别为非球状，还包括：

在所述平均圆形度还大于或等于所述第三阈值并且所述圆形度方差大于所述第四阈值的情况下，确定所述圆形度参数属于第四集合；或者，

在所述平均圆形度小于所述第三阈值的情况下，确定所述圆形度参数属于所述第四集合；

在所述圆形度参数属于所述第四集合的情况下，将所述气泡形状的类型判别为非椭球状。

6.如权利要求5所述的气泡形状类型判别方法，其特征在于，所述非椭球状包括球帽状，其中，所述将所述气泡形状的类型判别为非椭球状，包括：

重新确定所述圆形度方差是否小于或等于所述第四阈值；

在所述圆形度方差小于或等于所述第四阈值的情况下，确定所述圆形度参数属于第五集合；

在所述圆形度参数属于所述第五集合的情况下，将所述气泡形状的类型判别为球帽状。

7.如权利要求6所述的气泡形状类型判别方法，其特征在于，所述非椭球状还包括扁平振荡状，其中，所述将所述气泡形状的类型判别为非椭球状，还包括：

在所述圆形度方差大于所述第四阈值的情况下，确定所述圆形度参数属于第六集合；

在所述圆形度参数属于所述第六集合的情况下，将所述气泡形状的类型判别为扁平振荡状。

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