CN1464288A - 基于激光片光成像的粒子场全场测量方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

本发明基于激光片光成像的粒子场全场测量方法及其测量装置，特征是采取互相正交的激光片光照明测试流场中的粒子，采用两个CCD摄像头分别获取垂直于流场方向截面内粒子的像以及平行于流场方向平面内粒子的运动轨迹图象，通过识别粒子的像和统计分析其所占象素的多少确定其等效直径的大小，分析识别粒子的运动轨迹图确定粒子运动速度的大小及其方向，给出成像平面内粒子的尺度谱和速度场分布。本发明仅以流场中的粒子为成像对象，无需人为施加示踪粒子，避免了因示踪粒子的施加对流场造成的干扰，可广泛应用于两相或多相流研究中对流场的多参数、全场动态测量，在能源与环境、国防、机械、化工、冶金、医药和食品等领域中具有广阔的应用前景。

Description

基于激光片光成像的粒子场全场测量方法及其装置
技术领域：
本发明涉及两相或多相流中粒子粒径和速度的测量方法及其装置。
背景技术：
第15届火灾安全研究国际会议论文集(15th meeting of the UJNR panel on fire researchand safety，March 1-7，2000，pp.471-481.)以及第8届液体和喷雾系统国际会议论文集(8thInternational Conference on Liquid and Spray Systems，Pasadena，USA，2000，886-892.)指出，近年来发展起来的数字粒子图象测速(Digital Particle Image Velocimetry，简称DPIV)方法虽可对流场做动态全场测量，但由于其采用粒子图象的互相关技术重建流场的速度，因而要求激光片光必须与流场方向平行，且要求必须向测试流场中施加跟随性和光散射特性较好的示踪粒子，通常只能获取流场的二维速度分布；体视粒子图象测速(StereoscopicPIV，简称SPIV)技术虽通过采用两个CCD摄像头进行体视成像实现了流场速度的三维测量，但其仍要求激光片光必须与流场方向平行，且要求必须向测试流场中施加跟随性和光散射特性较好的示踪粒子，只能获取流场的速度而不能测量流场中粒子的粒径大小等特性参数。此外，对两相或多相流场(如喷雾场等)来说，因为其中粒子的密度往往要远小于DPIV方法和SPIV方法中示踪粒子的密度，因而其流场图象中粒子的像密度不能满足DPIV和SPIV方法中互相关算法对查询窗口内粒子数密度的要求，即对两相或多相流场速度的测量来说，上述方法也难以实现。
在两相或多相流研究，如喷雾燃烧、微机械加工过程中热表面的喷雾冷却、细水雾灭火及其喷雾系统的性能设计中，十分关心流场速度的瞬态测量和粒子大小的实时诊断。特别是在飞机等飞行器的性能设计和试飞测试中，常常需要对风洞中的流场及其粒子的散布规律进行实验测量；在燃油发动机的研究中，为了节约能源、提高效率和减少污染，通常需要研究燃烧室内燃油的雾化及扩散过程并测量油滴的粒径及其速度分布，从而为正确设计燃油喷嘴和燃烧室外形、选择合适的油气混合比提供实验依据；在各种爆炸研究中，需要研究爆炸过程中的气溶胶微粒的粒子数量、谱分布及其扩散规律；在细水雾灭火和热表面的喷雾冷却研究中，需要测量雾滴的速度分布、粒径分布和雾化锥角等特性参数等。但如前所述，现有技术有的只能对流场进行单点测量，有的只能测量获取流场的速度分布，不能满足两相或多相流研究中对多参数、全场动态测量的要求。
发明内容：
本发明提出一种基于激光片光成像和数字图象分析处理的流场多参数全场测量方法及其测量装置，以解决现有单点测量技术的不足、以及DPIV和SPIV技术在流场测量中只能获取流场速度的局限性。
本发明的基于激光片光成像的粒子场全场测量装置，包括激光片光系统1、数字成像系统2和图像数据获取系统3；其特征在于：所述激光片光系统1由激光器电源4、激光器5、两个柱透镜6和7、分束器8和反射镜9构成，其中分束器8置于激光光轴上，反射镜9置于分束光束的光轴上，柱透镜6置于激光经分束器8后透射光束的光轴上，柱透镜7置于激光分束光束经全反射镜9反射后的光束的光轴上；所述数字成像系统2采用两个CCD摄像头10和11，其中CCD摄像头10垂直于由激光透射光束经柱透镜6产生的片光，而CCD摄像头11垂直于由分束光束经柱透镜7产生的片光；，所述图像数据获取系统3包括计算机14和插置于计算机主板上的图像卡13；图象卡13通过视频传输线分别与CCD摄像头10和11的输出端连接；CCD摄像头10和11分别通过数据控制线与同一控制器12连接；两束激光片光处于两相或多相流场发生装置15产生的流场区域16内，其中一束激光片光面与流场16的流向平行，另一束与流场16的流向垂直。
本发明所述激光光源5可以是Ar+激光器，也可以是半导体激光器或其它脉冲激光光源；柱透镜6和7可以直接置放于激光束光轴上，也可在柱透镜6与分束器8之间以及柱透镜7与反射镜9之间增加一准直透镜组，以使激光片光的厚度尽可能薄(小于1毫米或更小)；柱透镜6和7、分束器8以及反射镜9置放位置距激光出口的距离依实验测试空间的大小和对激光片光厚度的要求来定；CCD摄像头10和11可以是CCD与光学摄像镜头(固定焦距或焦距可调)的组合件，也可以是数码照相机或者是数码摄象机；为了对几十个微米直径或更小微粒进行清晰成像，还可在CCD摄像头的入射光瞳处加一显微成像透镜；CCD摄像头10和11分别距由柱透镜6和柱透镜7产生的激光片光的距离可根据流场中粒子的大小、曝光量以及对成像区域大小的要求来定；两相或多相流场发生装置15距两激光片光的位置无特殊要求，只要调节流场发生装置15的位置或激光片光的入射位置，使激光片光能充分照明所成像的流场区域区域即可。
本发明测量方法及其装置的测量对象可以是由两相或多相流场发生装置15产生的气固或气液两相流场中的固态粒子，如粉尘爆炸中的粉尘粒子、食品加工过程中的固体颗粒以及早期火灾探测中的烟气粒子等，也可以是气液两相或多相流场中液态粒子，如喷雾燃烧过程中各种液体燃料喷雾雾滴、细水雾灭火系统中的细水雾雾滴、喷涂过程中的喷雾滴以及微加工过程中喷雾冷却系统的雾滴等。
本发明基于激光片光成像的粒子场全场测量方法，其特征在于通过互相正交的激光片光照明测试流场中的粒子，利用两个CCD摄像头分别获取垂直于流场方向截面内粒子的像以及平行于流场方向平面内粒子的运动轨迹图象，通过识别粒子的像和统计分析其所占象素的多少确定其等效直径的大小，分析识别粒子的运动轨迹图确定粒子运动速度的大小及其方向，给出成像平面内粒子的尺度谱分布和速度矢量场分布。
与现有技术相比较，由于本发明采取了激光片光入射方向的正交布置，即激光片光面既可以平行于流场流向入射，也可以垂直于流场流向入射，因此既可以对垂直于流场流向的平面内的粒子进行清晰成像，也可以获取平行于流场流向的平面内粒子的运动轨迹，进而通过对单一粒子图象的直接识别与统计分析得到粒子的粒径大小及其尺度谱分布，并通过粒子运动轨迹图象的识别与统计分析确定流场中粒子的运动速度及其分布，从而既解决了流场测试中单点测量方法的不足，同时解决了DPIV/SPIV方法只能测量获取流场速度的局限性，使其具有多参数、全场动态测量的优点。
由于本发明中仅以流场中的粒子为成像对象，因而无需人为施加任何示踪粒子，这既避免了DPIV/SPIV技术中对示踪粒子跟随性和光散射的分析和要求，更重要的是避免了因示踪粒子的施加对流场造成的干扰问题，同时还避免了因示踪粒子的制备和施加所面临的技术与经费问题。
基于以上优点，本发明可以被广泛应用于两相或多相流研究(如喷雾燃烧、微机械加工过程中热表面的喷雾冷却、早期火灾探测中对烟雾粒子的识别与分析、细水雾灭火及其喷雾系统的性能设计)中对流场的多参数、全场动态测量。因此，本发明所发展的粒子场全场测量方法在能源与环境、国防、机械、化工、冶金、医药和食品等研究领域中具有十分广阔的应用前景和科学价值。
附图说明：
图1为本发明基于激光片光成像的粒子场测量方法及其装置示意图；
图2为实施例1中标准玻璃球粒子粒径和速度的测量装置示意图；
图3为实施例2中细水雾雾滴特性的实验测量装置示意图；
具体实施方式：
以下结合附图说明本发明的具体实施方式。
实施例1：对两相流场中固态粒子粒径和速度分布的测量
本实施例中，激光片光系统1由激光器电源4、波长为650nm的半导体激光器5、两个柱透镜6和7、分束器8和反射镜9构成，将分束器8置于激光器5的光轴上约200mm处，柱透镜6置于激光经分束器8后透射光束的光轴上约150mm处，反射镜9置于激光经分束器8后分束光束的光轴上约250mm处，柱透镜7置于分束光束经反射镜9反射后的光束光轴上约250mm处；数字成像系统2采用两个分辨率为1024×768的CCD摄像头10和11，其中CCD摄像头10垂直于由激光透射光束经柱透镜6产生的片光，而CCD摄像头11垂直于由分束光束经柱透镜7产生的片光，CCD摄像头距激光片光的距离分别约为100mm；图像数据获取系统3包括计算机14和插置于计算机主板上的图像卡13；图象卡13通过视频传输线分别与CCD摄像头10和11的输出端连接；CCD摄像头10和11分别通过数据控制线与同一控制器12连接；两相或多相流场发生装置15置于两激光片光的下方，其所产生流场16与由柱透镜6所产生的激光片光平面垂直，而与由柱透镜7所产生片光的平面平行，且其距后者约100mm放置。
本实施例中的两相或多相流场发生装置15为一两端开口的玻璃管容器，玻璃管中间段的直径是两开口段直径的5到6倍；将事先置放于下开口端处的已知平均粒径的标准玻璃球粒子在鼓风机17的作用下在上开口端处产生均匀的粒子场；支架22固定在一水平台面上，流场发生装置15的玻璃管容器固定在支架22上；鼓风机17与玻璃容器通过塑料软管18连接。
测量时，开启鼓风机、激光器、CCD摄像头和计算机的电源，启动图象卡获取标准玻璃球粒子的图象；然后通过数单个粒子图象所占象素的多少确定其面积大小、根据圆面积计算方法确定单个粒子的等效直径，再通过对成像区域内所有粒子直径的统计分析给出其粒径分布；根据单个粒子运动轨迹的长度和成像系统的曝光时间先确定单个粒子的运动速度，然后通过对成像区域内所有粒子运动速度的统计分析给出整场粒子运动速度的分布。
作为本发明装置和方法的实验验证，本实施例中采用了平均粒径为115微米的标准玻璃球粒子；采用上述装置和方法的测量结果中最大粒径为121微米、最小粒径为78微米、平均粒径为111.6微米；实验中采用的气流的速度为0.22m/s，实验测量结果的平均值为0.21m/s。上述结果说明本发明对气固两相流场中固态粒子粒径和速度的测量结果是可靠的，其相对误差分别不超过3％和5％。
实施例2：气液两相流场(细水雾雾滴流场)中液态粒子粒径的测量
本实施例中测量装置的构成和布局与实施例1基本相同，所不同的是：本实施例中由柱透镜6产生的片光平行于流场方向，而由柱透镜7产生的片光垂直于流场方向；本实施例中在柱透镜7的透射光路上约200mm处布设了一直径为300mm的准直透镜21，目的是将扇形片光准直为平行片光，以使激光片光的光强分布尽可能均匀。
本实施例中两相或多相流场发生装置15为一储水装置与细水雾喷头19的组合系统，它们之间通过不锈钢管20连接，两相流场为从激光片光的上方约1米处的细水雾喷头19中喷淋产生的细水雾雾滴流场16。
测量时，开启激光器、CCD摄像头和计算机的电源，打开储水装置开关，启动图象卡获取细水雾雾滴的图象；然后通过数单个粒子图象所占象素的多少确定其面积大小、根据圆面积计算方法确定单个粒子的等效直径，再通过对成像区域内所有粒子直径的统计分析给出其粒径分布；根据单个粒子运动轨迹的长度和成像系统的曝光时间先确定单个粒子的运动速度，然后通过对成像区域内所有粒子运动速度的统计分析给出整场粒子运动速度的分布。
本实施例中供水系统的工作压力在0.1～1.0MPa范围内调节，利用上述测量装置可分别获取不同压力条件下细水雾雾滴的图象及其运动轨迹图象，然后根据上述方法可获取细水雾雾滴的粒径分布和平均粒径、速度分布矢量图和平均速度；本实施例同时说明在没有人为施加任何示踪物质的情况下，利用本发明装置和方法可同时测量获取细水雾雾场中雾滴粒径和速度的大小及其分布。

Claims (2)

1、一种基于激光片光成像的粒子场全场测量装置，包括激光片光系统1、数字成像系统2和图像数据获取系统3；其特征在于：所述激光片光系统1由激光器电源4、激光器5、两个柱透镜6和7、分束器8和反射镜9构成，其中分束器8置于激光光轴上，反射镜9置于分束光束的光轴上，柱透镜6置于激光经分束器8后透射光束的光轴上，柱透镜7置于激光分束光束经全反射镜9反射后的光束的光轴上；所述数字成像系统2采用两个CCD摄像头10和11，其中CCD摄像头10垂直于由激光透射光束经柱透镜6产生的片光，而CCD摄像头11垂直于由分束光束经柱透镜7产生的片光；，所述图像数据获取系统3包括计算机14和插置于计算机主板上的图像卡13；图象卡13通过视频传输线分别与CCD摄像头10和11的输出端连接；CCD摄像头10和11分别通过数据控制线与同一控制器12连接；两束激光片光处于两相或多相流场发生装置15产生的流场区域16内，其中一束激光片光面与流场16的流向平行，另一束与流场16的流向垂直。
2、一种基于激光片光成像的粒子场全场测量方法，其特征在于采取互相正交的激光片光照明测试流场中的粒子，采用两个CCD摄像头分别获取垂直于流场方向截面内粒子的像以及平行于流场方向平面内粒子的运动轨迹图象，通过识别粒子的像和统计分析其所占象素的多少确定其等效直径的大小，分析识别粒子的运动轨迹图确定粒子运动速度的大小及其方向，给出成像平面内粒子的尺度谱分布和速度矢量场分布。
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