CN117214050B - 一种液固两相流速度分布的计量装置及计量方法 - Google Patents

Abstract

发明涉及一种液固两相流速度分布的计量装置及计量方法。所述计量装置包括观测圆管、罗丹明B荧光颗粒、聚苯乙烯颗粒、第一CCD相机、第二CCD相机、双脉冲式激光器、同步控制器和计算机；观测圆管串接在流体循环管路上，罗丹明B荧光颗粒作为液相示踪粒子分布在流体循环管路中的被测液体中；聚苯乙烯颗粒作为固相示踪粒子分布在流体循环管路中的被测液体中；在第一CCD相机的镜头前设置有高通滤光片；在第二CCD相机的镜头前设置有窄带滤光片；计算机用于接收第一CCD相机和第二CCD相机拍摄的示踪粒子的图像数据，并对两组示踪粒子的图像数据进行互相关计算和粒子追踪计算，从而得到观测圆管内被测液体的液固两相流的速度分布。

Description

一种液固两相流速度分布的计量装置及计量方法

技术领域

本发明涉及一种流体计量方法，具体地说是一种液固两相流速度分布的计量装置及计量方法。

背景技术

水作为载流相进行砂石、粉煤灰、金属矿物、煤炭等固体粒状物料的水力输送，是一种典型的圆管液固两相流。固相的物料与液相的载流体之间存在复杂的相间作用与动量能量交换，在运输过程中呈现出多样的流动形式，常发生固相颗粒沉积导致管道堵塞、设备故障，给管道水力运输系统的设计和流动安全带来了极大的挑战。解决这一问题的关键是对圆管中液、固两相的速度分布进行准确计量，对管内液固两相运动状态进行同步观测，预测管道内流动状态的变化。

目前，在圆管液固两相流的测试计量过程中，对液固两相的速度参数的测量，是以局部混相测量技术为主，即把液固两相流视为混合相处理，不区分液相、固相各自的速度分布。这种测量方式不能同时获取管内液固两相速度场的全局信息，存在有一定的局限性。而现有的局部混相测量技术都是将固相颗粒速度参数视为液固混合相的流速信息，不能同时获取液固两相的全局速度场。

CN114777864A公开了一种用于测量管道内液固两相流量的测量方法，该方法采用双截面电阻层析成像传感器和脉冲波超声多普勒传感器分别用于获取管道内液、固两相的介质分布、底部颗粒层流速以及离散固相的流速剖面信息。该发明为管道液固两相流流量测量提供了局部剖面固相的速度信息，但是仍然存在有不能同步计量圆管内液相和固相流速分布的问题。

液固两相流分相速度参数的测量技术是一种图像可视化技术，也是获取管道内液固两相流速度场信息最直接的一种测试技术。其中，粒子图像测速是一种典型的图像可视化技术，得益于高功率激光源与快速数字处理器的出现，其在八十年代取得突破性进展，成为一种广泛应用的流场测速技术。该技术属于非接触式测量，对流场不产生干扰，可测量切面内的瞬间液相流动的速度场参数。粒子追踪测速技术通过拍摄和获取固体颗粒图像，对每个粒子进行识别定位，从而确定其轨迹，计算固体颗粒速度。

现有的测量技术和实验方案，尚未实现圆管液固两相流实时相分离与速度分布同步计量，以图像处理技术识别液相示踪粒子与固相颗粒的技术方案存在测量失真、预测偏差的局限。

发明内容

本发明的目的就是提供一种液固两相流速度分布的计量装置及计量方法，以解决液固两相流体的流动参数不能同步测量的问题。

本发明的目的是这样实现的：

一种液固两相流速度分布的计量装置，包括：

观测圆管，用透明亚克力材料制成，其两端通过法兰串联连接在测试流场的流体循环管路上，在流体循环管路上连接有水泵；

罗丹明B荧光颗粒，作为液相示踪粒子分布在流体循环管路中的被测液体中；

聚苯乙烯颗粒，为无色透明颗粒，作为固相示踪粒子分布在流体循环管路中的被测液体中；

第一CCD相机，位于观测圆管的一侧，在其镜头前设置有高通滤光片；所述第一CCD相机用于拍摄观测圆管中罗丹明B荧光颗粒在激光诱导下发出的荧光，以显示被测液体中液相示踪粒子的图像；

第二CCD相机，位于观测圆管的另一侧，在其镜头前设置有窄带滤光片；所述第二CCD相机用于拍摄观测圆管中由聚苯乙烯颗粒反射的激光，以显示被测液体中固相示踪粒子的图像；

双脉冲式激光器，所发射的脉冲式激光束通过导光臂在观测圆管中产生过管体轴心线并用于照明流场的激光片光源；

同步控制器，分别与双脉冲式激光器的控制端、第一CCD相机的控制端和第二CCD相机的控制端相接，用于发出同步信号，控制双脉冲式激光器、第一CCD相机和第二CCD相机协调工作；以及

计算机，通过数据线分别与第一CCD相机和第二CCD相机相接，用于接收第一CCD相机和第二CCD相机拍摄的示踪粒子的图像数据，实时计算通过观测圆管的被测液体的液相速度场和固相速度场，得到被测液体的液固两相流的速度分布。

进一步地，所述罗丹明B荧光颗粒的粒径为7um～10um，密度为1.05g/cm³；所述聚苯乙烯颗粒的粒径为200um，密度为1.5g/cm³。

进一步地，在测试区域的观测圆管的中部外包有方形的校正水箱，用以校正圆管曲率带来的图像拉伸的变形。

本发明液固两相流速度分布的计量装置的工作方式是：将观测圆管串联连接在流体循环管路上，并在流体循环管路上连接水泵；在第一CCD相机的镜头前设置高通滤光片，从观测圆管的一侧对准管道内的液固流场区域，在第二CCD相机的镜头前设置窄带滤光片，从观测圆管的另一侧对准管道内的液固流场区域；在流经流体管道的被测液体中添加罗丹明B荧光粒子和聚苯乙烯颗粒，罗丹明B荧光粒子作为液相示踪粒子，聚苯乙烯颗粒作为固相示踪粒子；同步控制器同步控制双脉冲式激光器、第一CCD相机和第二CCD相机协调动作，双脉冲式激光器发射脉冲式激光束，通过导光臂在观测圆管中产生用于照明流场的激光片光源，该片光源诱导罗丹明B荧光粒子发出荧光，并使聚苯乙烯颗粒产生反射光，第一CCD相机和第二CCD相机同步拍摄两组示踪粒子的图像数据并输入计算机，由计算机对输入的两组示踪粒子的图像数据进行互相关计算和粒子追踪计算，从而得到观测圆管内被测液体的液固两相流的速度分布。

本发明在示踪粒子的图像采集阶段可实现液固混合流场的两相分离，从而使得本发明计量装置能够同时测量到观测圆管中液相流场的速度信息和固相颗粒的速度参数，获得了全局分相粒子图像，保证了测量参数的同步性和实时性，降低了系统误差和计量工作量，提高了计量的准确性。

本发明利用激光诱导荧光和粒子图像技术构建计量装置，基于该装置在测量阶段可实现液相示踪粒子与固相示踪粒子的实时分相图像采集，对观测圆管中液固两相流动状态进行同步观测和计量。液固两相流的速度分布参数不仅包括两相各自的流速分布、流线分布，还包括液固两相间的相对滑移速度和固相颗粒的沉积速度，从而实现了真正意义上的管道液固两相流相分离，可对观测圆管中液固两相的流动状态以及两相的速度分布参数进行准确的计量。

本发明的目的还可这样实现：

一种液固两相流速度分布的计量方法，包括以下步骤：

S0、设置本发明液固两相流速度分布的计量装置。

S1、配制液固两相混合溶液：将罗丹明B荧光颗粒放置被测液体中并混合均匀，将聚苯乙烯颗粒按照体积比浓度(10^-6～10^-3):1加入被测液体中，形成液固两相混合溶液。

S2、复现液固两相混合流场：将混合溶液置入流体循环管路，启动水泵，使液固两相混合溶液在流体循环管路中流动，并形成循环，复现液固两相混合流场。

S3、调节光学系统：待液固两相混合溶液的流速稳定后，打开双脉冲式激光器开关，调整导光臂的灯头，使波长532nm的脉冲式激光束通过观测圆管的轴心线，形成照亮管道轴向流场的片光源；调节双脉冲式激光器与观测圆管的距离，使发射的激光在观测圆管的待测流场形成最薄平面。

S4、布置分相图像采集机构：由第一CCD相机和其镜头前的高通滤光片组成液相示踪粒子的图像采集机构，由第二CCD相机和其镜头前的窄带滤光片组成固相示踪粒子的图像采集机构；两个图像采集机构分置在观测圆管的两侧，并分别与管道轴向同一待测流场立平面相垂直，两台CCD相机的焦距调整聚焦在待测流场立平面上。

S5、连接同步控制信号：在同步控制器的同步信号控制下，双脉冲式激光器发射的脉冲式激光束经导光臂的灯头照亮观测圆管的待测流场，第一CCD相机和第二CCD相机则对观测圆管中的同一待测流场区域进行同步拍摄。

S6、液-固混合流场分相图像同步采集：罗丹明B荧光粒子受激光激发，发出荧光，第一CCD相机拍摄待测流场内被罗丹明B荧光粒子示踪的液相流场图像；同时，聚苯乙烯颗粒在激光照明下产生反射光，第二CCD相机拍摄聚苯乙烯颗粒的固相流场图像。

S7、数据处理与计算：计算机接收到两CCD相机拍摄的示踪粒子流场图像，进行互相关计算和粒子追踪计算，得到液、固两相流场的全局速度分布；再对液、固两相的速度参数进行处理和计算，得到相间滑移速度和固相颗粒的沉积速度。

本发明利用双脉冲激光器构造的激光片光源在照亮管道轴向流场的同时，以发出的532nm波长激光作为激光源，对流场中布撒的罗丹明B荧光颗粒进行照射，使用激光将流场中的粒子激发至高能的量子态，诱发出波长大于532nm的荧光，然后探测粒子释放出的荧光光子。而罗丹明B荧光颗粒具有良好的跟随性，其密度与水接近，可作为液相示踪粒子标记液相流场。其被激光诱导发出波长大于532nm的荧光，通过高通滤光片进入到第一CCD相机，高通滤光片屏蔽了自然光和激光，因此，液相示踪粒子图像采集机构所采集的示踪图像只包含液相示踪粒子信息。同时，无色透明的大粒径聚苯乙烯颗粒作为固相示踪粒子，具有良好的反光性，但不具有荧光效应，只能反射532nm波长的激光，并通过窄带滤光片被第二CCD相机接收，由固相颗粒图像采集机构完成对聚苯乙烯颗粒反射光的图像采集。而液相示踪粒子被激发的荧光则被窄带滤光片滤除，不会进入到第二CCD相机，因而被排除在固相示踪粒子图像采集机构所采集到的图像之外，使固相示踪粒子图像采集机构所采集到的图像只包含固相示踪粒子的信息。因此，本发明在图像采集阶段，既可实现液固两相分相图像的同步采集，又实现了对液固两相图像的实时分离。

本发明计量方法是通过图像分析技术追踪散布在待测流场中的荧光颗粒和反光颗粒，并用这些颗粒的运动来表征流体的运动。在待测流场中布撒示踪粒子，使用532nm的激光或其他光源照亮所测流场区域，通过连续两次或多次曝光，示踪粒子的图像被记录在图像中；然后采用互相关法处理粒子图像，计算出流场中各点的流速矢量，再推演计算出其他速度参量。

本发明计量方法采用粒子追踪的方式对示踪粒子进行速度测量，具有准确直观的特点。当示踪粒子的浓度较低时，可以识别和跟踪单个粒子的运动，从所采集的示踪粒子图像中直接测得单个粒子的位移。本发明可实现观测圆管内液固两相图像的相分离与速度分布的同步计量。

本发明计量装置与计量方法的配合使用，能够在图像采集阶段实现液相、固相的实时相分离，分别采集得到液相示踪粒子、固相示踪粒子的图像，再分别利用粒子图像测速技术和粒子追踪测速技术计算同一流场区域内液相、固相速度场、相间滑移速度、固相沉积速度等参数信息。本发明能实时同步观测圆管内液固两相的流动状态，计量同一流场测试区域内液相、固相两相的速度分布，预测管道内流动状态的变化，实现对液固两相混合作用下，固相悬浮、沉降机制的研究，以及固相颗粒存在对液相流场湍流调制的影响。

附图说明

图1是本发明液固两相流速度分布的计量装置的结构示意图。

图2是待测流场的结构示意图。

图3是图2所示待测流场的俯视图。

图4是本发明液固两相流速度分布的计量方法的流程图。

图中：1、观测圆管；2、法兰；3、矫正水箱；4、测试区域；5、第二CCD相机；6、窄带滤光片；7、第一CCD相机；8、高通滤光片；9、双脉冲式激光器；10、导光臂；11、片光源；12、同步控制器；13、计算机；14、聚苯乙烯颗粒；15、罗丹明B荧光颗粒。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详述。

如图1所示，本发明计量装置的布局如下：在第一CCD相机7的镜头前加装550nm的高通滤光片8，用于过滤相机进光中波长低于550nm的光线，以接收罗丹明B荧光颗粒在532nm波长激光诱导下发出的荧光，显示液相示踪粒子图像。在第二CCD相机5的镜头前加装532nm±5nm的窄带滤光片6，用于过滤相机进光中其它波长的光线，只接收532nm±5nm波长的光线，以有效滤除荧光和自然光，即只允许聚苯乙烯颗粒反射的532nm的激光进入，显示聚苯乙烯颗粒的图像。第一CCD相机7和第二CCD相机5分别位于观测圆管1的两侧，正对着待测流场中的测试区域4。

如图2、图3所示，双脉冲激光器9产生的激光通过导光臂10形成片光源，片光源沿管道中央轴向照亮待测流场。由第一CCD相机7和高通滤光片8组成液相示踪粒子图像采集机构；由第二CCD相机5和窄带滤光片6组成固相示踪粒子图像采集机构。两个示踪粒子图像采集机构位于观测圆管1的两侧，正视于流场中的同一测试区域4。在测试区域4的观测圆管1的中部外包有方形的校正水箱3，用以校正圆管曲率带来的图像拉伸的变形。

图1中，观测圆管1的两端通过法兰2串联连接在测试流场的流体循环管路上，观测圆管1是透明亚克力材料制成，通过两端的法兰2与流体循环管路串联连接。在流体循环管路上连接有水泵(未图示)。在测试区域4的观测圆管1的中部外包有方形的校正水箱3。储水箱3为长方体形的亚克力水箱，内部的装水液面没过观测圆管1的高度，用以矫正管道曲率带来的影响。在流体循环管路中加装被测液体，其中添加有罗丹明B荧光颗粒15和聚苯乙烯颗粒14。罗丹明B荧光颗粒15的粒径为7～10um，密度为1.05g/cm³，与水的密度接近，具有很好的流场跟随性，可作为液相示踪粒子。聚苯乙烯颗粒14的粒径为200um，密度为1.5g/cm³，作为固相示踪粒子。双脉冲式激光器9是使用两台脉冲激光器经过光束合束器的合并，再通过一个光路出口在空间上高度重合地发射出脉冲激光束，该激光束经过导光臂10，在观测圆管1中产生照明流场的激光片光源11。同步控制器12分别与双脉冲式激光器9的控制端、第一CCD相机7的控制端以及第二CCD相机5的控制端相接，用来控制双脉冲式激光器9、第一CCD相机7和第二CCD相机5，使它们工作在严格同步的信号基础上，保证各部分的协调工作。计算机13通过数据线分别与第一CCD相机7和第二CCD相机5相接，用于接收第一CCD相机7和第二CCD相机5拍摄的示踪粒子的图像数据，通过粒子图像测速系统软件实时计算通过观测圆管的被测液体的液相速度场和固相速度场，得到被测液体的液固两相流的速度分布，完成液相、固相速度场的计算、显示和存储。

双脉冲式激光器9经过导光臂10形成激光片光源11；激光片光源11从测试区域4的上方向下沿管道轴向中央照射，激发流场中的罗丹明B荧光颗粒15，并照亮聚苯乙烯颗粒14。当液固两相混合溶液沿流体循环管路途经观测圆管1，进入被测试区域4内，罗丹明B荧光颗粒15与聚苯乙烯颗粒14以不同的速度流动，发生液固流场两相速度差，即相间滑移，这是固相颗粒沉积现象的诱因。液相示踪粒子图像采集机构与固相颗粒图像采集机构对液固两相流场信息进行实时采集，经粒子图像处理，分别得到液-固两相速度参数。

关于液相流场速度分布的计量说明：利用布撒在流体中的跟随性较好的示踪粒子来代表粒子所在位置的流场速度。液相示踪粒子的密度与水接近，粒径较小，能充分跟随水流场的运动，示踪其所在位置处的流场速度。

测量粒子从t₁至t₂时刻，经过Δt时间的移动，二维空间位置从(x(t),y(t))变化到(x(t+Δt),y(t+Δt))，即(x+Δx，y+Δy)，则t₁时刻粒子图像对应的信号为：

f(x,y)＝I(x,y)+n₁(x,y)

t₂时刻粒子图像对应的信号为：

g(x,y)＝I(x+Δx,y+Δy)+n₂(x,y)

其中，n₁(x,y)、n₂(x,y)为t₁、t₂时刻的图像噪音干扰。

当时间间隔Δt足够小，以至于小到与受精度约束的拉格朗日速度场的泰勒微尺度可以比较的程度，此时，粒子的速度可以用位移与时间间隔的比值来近似，见公式(1)。

由于Δt很小，粒子图像分辨率较低，且粒子图像中存在噪音干扰，因此很难直接提取Δx和Δy，因此，必须对间隔Δt的两幅图像做互相关分析，才能求出Δx和Δy。而f(x,y)和g(x,y)均为实函数，其二维互相关函数为公式(2)：

R_fg(x,y)＝∫∫f(α,β)g*(α-x,β-y)dαdβ (2)

根据公式(2)可进一步表示为：

R_fg(x,y)＝∫∫I(α,β)I(α+Δx-x,β+Δy-y)dαdβ (3)

自相关函数R_f(x,y)＝∫∫f(α,β)f*(α-x,β-y)dαdβ，t₁时刻粒子图像信号I(x,y)的自相关函数为：

r(x,y)＝∫∫I(α,β)I(α-x,β-y)dαdβ (4)

因此，公式(3)可转化为

R_fg(x,y)＝r(x-Δx,y-Δy) (5)

利用二维自相关函数实偶函数，且在原点处取得最大值，可以计算得到互相关函数的最大值，进而求得Δx和Δy。再根据公式(1)可知，只要在图像分析过程中获得粒子的位移信息Δx和Δy，然后配合CCD相机的定标参数，便可以得到该粒子的空间位移信息。另外，由于在一次实验中Δt是固定的，所以该粒子在笛卡尔坐标系中的速度矢量可以计算得到。当获知足够多粒子的位移情况后，即可重建整个流场的速度分布。

关于固相流场速度分布的计量说明：粒子追踪测速针对单个粒子进行处理，提取其主要特征参数，包括中心坐标、尺寸、亮度、颜色、亮度动量等，然后利用粒子的多个特征信息，尽可能准确地匹配确定前后帧图像中的同一颗粒，即实现粒子匹配。基于此得到单个粒子的运动轨迹，通过追踪单个粒子的运动轨迹计算其速度。

结合固相颗粒所占区域的灰度变化，利用固相颗粒的灰度质心确定其所在位置：

其中，i,j为图像像素的横、纵坐标；g(i,j)为坐标(i,j)处的灰度，T为同一固相颗粒所占像素的集合。固相颗粒的灰度质心坐标是该固相颗粒所有像素的灰度加权平均值。

本发明液固两相流速度分布的计量方法包括以下步骤：

S0、设置图1所示的本发明液固两相流速度分布的计量装置。

S1、配制液固两相混合溶液：将罗丹明B荧光颗粒15放置被测液体中并混合均匀，将聚苯乙烯颗粒14按照体积比浓度(10^-6～10^-3):1加入被测液体中，形成液固两相混合溶液；该体积浓度范围对应为双向耦合液固两相流，即固相颗粒与液相流体间相互作用。

S2、复现液固两相混合流场：将混合溶液置入流体循环管路3，启动水泵，使液固两相混合溶液在流体循环管路中流动，并形成循环，从而复现液固两相混合流场。

S3、调节光学系统：待液固两相混合溶液的流速稳定后，打开双脉冲式激光器9的开关，调整导光臂10的灯头，使波长532nm的脉冲式激光束通过观测圆管1的轴心线，形成照亮管道轴向流场的片光源11；调节双脉冲式激光器9与观测圆管1的距离，使发射的激光在观测圆管1的待测流场形成最薄平面。

S4、布置分相图像采集机构：由第一CCD相机7和其镜头前的高通滤光片8组成液相示踪粒子的图像采集机构，由第二CCD相机5和其镜头前的窄带滤光片6组成固相示踪粒子的图像采集机构。两个图像采集机构分置在观测圆管1的两侧，并分别与管道轴向同一待测流场立平面相垂直，两台CCD相机的焦距调整聚焦在待测流场立平面上。

S5、连接同步控制信号：在同步控制器12的同步信号控制下，双脉冲式激光器9发射的脉冲式激光束经导光臂10的灯头照亮观测圆管1的待测流场，第一CCD相机7和第二CCD相机5则对观测圆管1中的同一待测流场区域进行同步拍摄。

S6、液-固混合流场分相图像同步采集：罗丹明B荧光粒子15受激光激发，发出荧光，第一CCD相机7拍摄待测区域内被罗丹明B荧光粒子示踪的液相流场图像；同时，聚苯乙烯颗粒14在激光照明下产生反射光，第二CCD相机5拍摄聚苯乙烯颗粒14的固相流场图像。

S7、数据处理与计算：计算机13接收到两CCD相机拍摄的示踪粒子流场图像，进行互相关计算和粒子追踪计算，得到液、固两相流场的全局速度分布。然后再对液、固两相的速度参数进行处理和计算，得到相间滑移速度和固相颗粒的沉积速度。

Claims (2)

1.一种液固两相流速度分布的计量装置，其特征是，包括：

观测圆管，用透明亚克力材料制成，其两端通过法兰串联连接在测试流场的流体循环管路上，在流体循环管路上连接有水泵；

罗丹明B荧光颗粒，作为液相示踪粒子分布在流体循环管路中的被测液体中；

聚苯乙烯颗粒，为无色透明颗粒，作为固相示踪粒子分布在流体循环管路中的被测液体中；

第一CCD相机，位于观测圆管的一侧，在其镜头前设置有高通滤光片；所述第一CCD相机用于拍摄观测圆管中罗丹明B荧光颗粒在激光诱导下发出的荧光，以显示被测液体中液相示踪粒子的图像；

第二CCD相机，位于观测圆管的另一侧，在其镜头前设置有窄带滤光片；所述第二CCD相机用于拍摄观测圆管中由聚苯乙烯颗粒反射的激光，以显示被测液体中固相示踪粒子的图像；

双脉冲式激光器，其是使用两台脉冲激光器经过光束合束器的合并，再通过一个光路出口在空间上高度重合地发射出脉冲激光束，所发射的脉冲式激光束通过导光臂在观测圆管中产生过管体轴心线并用于照明流场的激光片光源；

同步控制器，分别与双脉冲式激光器的控制端、第一CCD相机的控制端和第二CCD相机的控制端相接，用于发出同步信号，控制双脉冲式激光器、第一CCD相机和第二CCD相机协调工作；以及

计算机，通过数据线分别与第一CCD相机和第二CCD相机相接，用于接收第一CCD相机和第二CCD相机拍摄的示踪粒子的图像数据，并对两组示踪粒子的图像数据进行互相关计算和粒子追踪计算，从而得到观测圆管内被测液体的液固两相流场的速度分布；液相流场速度分布的计量方式为：被测量的液相示踪粒子从t₁至t₂时刻，经过Δt时间的移动，二维空间位置从(x(t),y(t))变化到(x(t+Δt),y(t+Δt))，即(x+Δx，y+Δy)，则t₁时刻液相示踪粒子图像对应的信号为：

f(x,y)＝I(x,y)+n₁(x,y)

t₂时刻粒子图像对应的信号为：

g(x,y)＝I(x+Δx,y+Δy)+n₂(x,y)

其中，n₁(x,y)、n₂(x,y)为t₁、t₂时刻的图像噪音干扰；

当时间间隔Δt小到与受精度约束的拉格朗日速度场的泰勒微尺度相比较的程度时，液相示踪粒子的速度用位移与时间间隔的比值来近似，见公式(1)：

对间隔Δt的两幅图像做互相关分析，求出Δx和Δy；而f(x,y)和g(x,y)的二维互相关函数为公式(2)：

R_fg(x,y)＝∫∫f(α,β)g*(α-x,β-y)dαdβ (2)

根据公式(2)表示为：

R_fg(x,y)＝∫∫I(α,β)I(α+Δx-x,β+Δy-y)dαdβ (3)

自相关函数R_f(x,y)＝∫∫f(α,β)f*(α-x,β-y)dαdβ，t₁时刻粒子图像信号I(x,y)的自相关函数为：

r(x,y)＝∫∫I(α,β)I(α-x,β-y)dαdβ (4)

因此，将公式(3)转化为：

R_fg(x,y)＝r(x-Δx,y-Δy) (5)

利用二维自相关函数为实偶函数，且在原点处取得最大值，以计算得到互相关函数的最大值，进而求得Δx和Δy；再配合第一CCD相机的定标参数，得到该液相示踪粒子的空间位移信息；由于在一次实验中Δt是固定的，所以该液相示踪粒子在笛卡尔坐标系中的速度矢量经计算得到；当获知足够多液相示踪粒子的位移情况后，即获得整个流场的速度分布；

固相流场速度分布的计量方式为：粒子追踪测速针对单个粒子进行处理，提取其主要特征参数，包括中心坐标、尺寸、亮度、颜色、亮度动量，然后利用固相示踪粒子的特征信息，准确地匹配确定前后帧图像中的同一颗粒，即实现粒子匹配；以得到单个固相示踪粒子的运动轨迹，通过追踪单个固相示踪粒子的运动轨迹计算其速度；

结合固相颗粒所占区域的灰度变化，利用固相颗粒的灰度质心确定其所在位置：

其中，i,j为图像像素的横、纵坐标；g(i,j)为坐标(i,j)处的灰度，T为同一固相颗粒所占像素的集合；固相颗粒的灰度质心坐标是该固相颗粒所有像素的灰度加权平均值。

2.一种液固两相流速度分布的计量方法，其特征是，包括以下步骤：

S0、设置权利要求1所述的液固两相流速度分布的计量装置；

S1、配制液固两相混合溶液：将罗丹明B荧光颗粒放置被测液体中并混合均匀，将聚苯乙烯颗粒按照体积比浓度(10^-6～10^-3):1加入被测液体中，形成液固两相混合溶液；

S2、复现液固两相混合流场：将混合溶液置入流体循环管路，启动水泵，使液固两相混合溶液在流体循环管路中流动，并形成循环，复现液固两相混合流场；

S3、调节光学系统：待液固两相混合溶液的流速稳定后，打开双脉冲式激光器开关，调整导光臂的灯头，使波长532nm的脉冲式激光束通过观测圆管的轴心线，形成照亮管道轴向流场的片光源；调节双脉冲式激光器与观测圆管的距离，使发射的激光在观测圆管的待测流场形成最薄平面；

S4、布置分相图像采集机构：由第一CCD相机和其镜头前的高通滤光片组成液相示踪粒子的图像采集机构，由第二CCD相机和其镜头前的窄带滤光片组成固相示踪粒子的图像采集机构；两个图像采集机构分置在观测圆管的两侧，并分别与管道轴向同一待测流场立平面相垂直，两台CCD相机的焦距调整聚焦在待测流场立平面上；

S5、连接同步控制信号：在同步控制器的同步信号控制下，双脉冲式激光器发射的脉冲式激光束经导光臂的灯头照亮观测圆管的待测流场，第一CCD相机和第二CCD相机则对观测圆管中的同一待测流场区域进行同步拍摄；

S6、液-固混合流场分相图像同步采集：罗丹明B荧光粒子受激光激发，发出荧光，第一CCD相机拍摄待测流场内被罗丹明B荧光粒子示踪的液相流场图像；同时，聚苯乙烯颗粒在激光照明下产生反射光，第二CCD相机拍摄聚苯乙烯颗粒的固相流场图像；

S7、数据处理与计算：计算机接收到两CCD相机拍摄的示踪粒子流场图像，进行互相关计算和粒子追踪计算，得到液、固两相流场的全局速度分布；再对液、固两相的速度参数进行处理和计算，得到相间滑移速度和固相颗粒的沉积速度；

液相流场速度分布的计量方式为：被测量的液相示踪粒子从t₁至t₂时刻，经过Δt时间的移动，二维空间位置从(x(t),y(t))变化到(x(t+Δt),y(t+Δt))，即(x+Δx，y+Δy)，则t₁时刻液相示踪粒子图像对应的信号为：

f(x,y)＝I(x,y)+n₁(x,y)

t₂时刻粒子图像对应的信号为：

g(x,y)＝I(x+Δx,y+Δy)+n₂(x,y)

其中，n₁(x,y)、n₂(x,y)为t₁、t₂时刻的图像噪音干扰；

当时间间隔Δt小到与受精度约束的拉格朗日速度场的泰勒微尺度相比较的程度时，液相示踪粒子的速度用位移与时间间隔的比值来近似，见公式(1)：

对间隔Δt的两幅图像做互相关分析，求出Δx和Δy；而f(x,y)和g(x,y)的二维互相关函数为公式(2)：

R_fg(x,y)＝∫∫f(α,β)g*(α-x,β-y)dαdβ (2)

根据公式(2)表示为：

R_fg(x,y)＝∫∫I(α,β)I(α+Δx-x,β+Δy-y)dαdβ (3)

自相关函数R_f(x,y)＝∫∫f(α,β)f*(α-x,β-y)dαdβ，t₁时刻粒子图像信号I(x,y)的自相关函数为：

r(x,y)＝∫∫I(α,β)I(α-x,β-y)dαdβ (4)

因此，将公式(3)转化为：

R_fg(x,y)＝r(x-Δx,y-Δy) (5)

利用二维自相关函数为实偶函数，且在原点处取得最大值，以计算得到互相关函数的最大值，进而求得Δx和Δy；再配合第一CCD相机的定标参数，得到该液相示踪粒子的空间位移信息；由于在一次实验中Δt是固定的，所以该液相示踪粒子在笛卡尔坐标系中的速度矢量经计算得到；当获知足够多液相示踪粒子的位移情况后，即获得整个流场的速度分布；

固相流场速度分布的计量方式为：粒子追踪测速针对单个粒子进行处理，提取其主要特征参数，包括中心坐标、尺寸、亮度、颜色、亮度动量，然后利用固相示踪粒子的特征信息，准确地匹配确定前后帧图像中的同一颗粒，即实现粒子匹配；以得到单个固相示踪粒子的运动轨迹，通过追踪单个固相示踪粒子的运动轨迹计算其速度；

结合固相颗粒所占区域的灰度变化，利用固相颗粒的灰度质心确定其所在位置：

其中，i,j为图像像素的横、纵坐标；g(i,j)为坐标(i,j)处的灰度，T为同一固相颗粒所占像素的集合；固相颗粒的灰度质心坐标是该固相颗粒所有像素的灰度加权平均值。