基于圖像法的氣液兩相稀疏泡狀流氣泡參數(shù)分析

周云龍，周紅娟，宋連壯，劉 倩

（1．東北電力大學(xué)能源與機(jī)械工程學(xué)院，吉林 吉林132012；

2．東北電力大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院，吉林 吉林132012；

3．中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司機(jī)電處，天津300222；

4．滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系，安徽 滁州239000）

氣泡廣泛存在于動(dòng)力、化工、核能、石油、冶金等領(lǐng)域。氣泡運(yùn)動(dòng)規(guī)律對(duì)許多工程應(yīng)用問題也就有著重要的影響，氣泡的尺寸以及尺寸分布常常決定著兩相流體的流動(dòng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，甚至影響兩相流系統(tǒng)的總體性能。例如，在核反應(yīng)堆中，氣液兩相流的空泡份額對(duì)核反應(yīng)堆功率的穩(wěn)定、堆內(nèi)流動(dòng)和傳熱特性以及安全運(yùn)行都會(huì)產(chǎn)生很大的影響，同時(shí)，氣泡尺寸對(duì)空泡份額的分布具有極其重要的作用［1］。

近幾年，隨著數(shù)字圖像技術(shù)的快速發(fā)展，圖像法被廣泛地用于氣泡運(yùn)動(dòng)特性的研究。王紅一等［2］對(duì)矩形有機(jī)玻璃管靜止水中不同直徑氣泡的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了總結(jié)；周云龍等［3］采用圖像處理方法對(duì)垂直管中容積含氣率進(jìn)行了測(cè)量；張建生等［4］采用高速攝影技術(shù)對(duì)氣泡上升過程速度的變化進(jìn)行了研究；程文等［5］采用圖像分析方法對(duì)氣液兩相流中氣泡的速度進(jìn)行了研究。

本文以圖像處理為基礎(chǔ)對(duì)垂直上升管中的稀疏氣泡的各種特征參數(shù)進(jìn)行較全面的提取與分析，另外對(duì)單氣泡上升過程的運(yùn)動(dòng)變化進(jìn)行了研究。這對(duì)于更深層次的研究?jī)上嗔黧w的流動(dòng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律具有重要的實(shí)際意義。

1 實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括流體控制實(shí)驗(yàn)臺(tái)和圖像采集系統(tǒng)。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置與圖像采集系統(tǒng)Fig．1 Experimental facility and image acquisition system

1．1 流體控制實(shí)驗(yàn)臺(tái)

流體控制實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要包括空壓機(jī)、水泵、流量計(jì)、混合器、透明測(cè)試管以及分離器。整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)過程是由空壓機(jī)升壓后的空氣與水泵抽出的水先經(jīng)過氣液混合裝置混合，然后流經(jīng)透明測(cè)試管進(jìn)行圖像的采集，接著進(jìn)入旋風(fēng)分離器，將空氣與水分離出來。本實(shí)驗(yàn)透明測(cè)試管選用內(nèi)徑50 mm，長(zhǎng)為2 m的透明有機(jī)玻璃管。

1．2 圖像采集系統(tǒng)

圖像采集系統(tǒng)主要包括照明系統(tǒng)和高速攝影系統(tǒng)。其中高速攝影系統(tǒng)采用Speed Cam Visario系統(tǒng)，此系統(tǒng)是由瑞士WEINBERGER公司研發(fā)的，其最大分辨率為1 536×1 024，最大幀頻可以達(dá)到10 000幀／s，能夠清晰地拍攝到垂直管中氣泡的運(yùn)動(dòng)圖像。本實(shí)驗(yàn)拍攝范圍是垂直玻璃管上方950～1 060 mm的空間區(qū)域，此處采集圖像大小為1 536×1 024，幀頻為1 000幀／s的氣泡運(yùn)動(dòng)圖像。

基于高速攝影機(jī)對(duì)光線的亮度的要求，光源選用的是6 400 K色溫的三基色光管，光線明亮無閃爍。采用逆光照射，拍攝垂直上升管中氣泡的運(yùn)動(dòng)圖像。為了使光線分布均勻，獲取較滿意的氣泡圖像，可以在拍攝區(qū)域的后側(cè)有機(jī)玻璃管上，蒙上兩層繪圖用的硫酸紙［6］。拍攝到此圖片時(shí)氣體溫度為29．65℃，水的流量為10 m3／h，空氣流量在0．05 m3／h。

2 圖像處理

為了更好地跟蹤稀疏氣泡的變化規(guī)律，首先對(duì)拍攝的圖像進(jìn)行氣泡的截取。如圖2（a）所示的是截取后的氣泡運(yùn)動(dòng)圖像，圖像像素大小為310×310。由于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中透明有機(jī)玻璃管的潔凈度以及光照的均勻性，都會(huì)影響拍攝圖像的質(zhì)量，所以要對(duì)圖像進(jìn)行前期處理來提高氣泡識(shí)別的準(zhǔn)確率。

針對(duì)原始圖像中灰度對(duì)比度較低的問題，本文中采用非線性變換來對(duì)圖像進(jìn)行灰度拉伸［7］，拉伸函數(shù)如式（1）所示

式中：r表示輸入圖像的灰度值，s是輸出圖像中的相應(yīng)灰度值，E為控制該函數(shù)的斜率。拉伸后的圖像如圖2（b）所示。然后再利用中值濾波來濾除有機(jī)玻璃板上附著的雜質(zhì)。

圖2 稀疏泡狀流的原始圖像及預(yù)處理后圖像Fig．2 Original and gray extend image of bubbly flow

要獲取氣泡的特征參數(shù)，首先要進(jìn)行氣泡的識(shí)別，氣泡識(shí)別的步驟主要分為氣泡的分割和區(qū)域的標(biāo)定。

2．1 氣泡的分割

本文中圖像分割方法選用的是閾值法，閾值的求取是通過迭代算法求得的；輪廓的提取是采用的形態(tài)學(xué)運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)的［8］。邊緣提取以后，要進(jìn)行區(qū)域的填充，經(jīng)過邊緣提取和區(qū)域填充處理取反以后的效果如圖3（a）和（b）所示。

圖3 經(jīng)圖像處理后的輪廓圖像Fig．3 Partial outline image by image processing

2．2 氣泡的標(biāo)定

區(qū)域填充后，要提取連通區(qū)域的特征，需要對(duì)連通區(qū)域進(jìn)行唯一的標(biāo)記。即為不同的氣泡標(biāo)記唯一的氣泡編號(hào)［9］。

經(jīng)過上述圖像處理以后，氣泡圖像變得更清晰，為進(jìn)一步氣泡的面積、周長(zhǎng)、直徑等參數(shù)的定量分析做好了準(zhǔn)備。

3 稀疏氣泡的運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析

3．1 氣泡參數(shù)的求取

通過對(duì)圖像中氣泡的區(qū)域標(biāo)定，可以識(shí)別出圖像中氣泡的個(gè)數(shù)，并計(jì)算出氣泡的以下參數(shù)。

（1）氣泡的面積和周長(zhǎng)

氣泡的周長(zhǎng)參數(shù)和面積參數(shù)是氣泡運(yùn)動(dòng)圖像中最基本的參數(shù)。本文面積和周長(zhǎng)的檢測(cè)算法都是基于像素概念來求取的。對(duì)面積的檢測(cè)是采用全面統(tǒng)計(jì)每個(gè)氣泡二值圖像中所包含像素的個(gè)數(shù)，如果要求取真實(shí)面積值，可根據(jù)單個(gè)像素大小標(biāo)定的來測(cè)量。氣泡周長(zhǎng)是由像素的邊組成的，因此通過對(duì)氣泡像素周圍四鏈碼方向像素性質(zhì)的判斷，來確定氣泡周長(zhǎng)所包含的像素，然后對(duì)符合條件的像素求和，即為氣泡的周長(zhǎng)。計(jì)算公式如下

Ab和Lb分別為第b個(gè)氣泡的面積和周長(zhǎng)（b＝1，2，…，N）。

（2）氣泡形心位置的確定

氣液兩相流中的氣泡由于液體黏度的影響以及上升過程中重力的作用，使得氣泡會(huì)發(fā)生一定程度的形變，這對(duì)氣泡的形心確定會(huì)產(chǎn)生一定的誤差，因此本文中選用灰度質(zhì)心［10］來對(duì)氣泡進(jìn)行標(biāo)定。

（3）氣泡的形變系數(shù)

氣泡上升過程中形狀是不斷變化的，形狀上并不是標(biāo)準(zhǔn)的球形，而是近似為球形或扁球形。氣泡運(yùn)動(dòng)過程中變形的程度也反映了兩相流動(dòng)的內(nèi)在規(guī)律，對(duì)氣泡的變形程度的研究能更進(jìn)一步揭示出兩相流的動(dòng)態(tài)過程，本文中用式（5）來衡量氣泡接近球形的程度，形狀參數(shù)的定義如下

式中：Lb——圖像中第b個(gè)氣泡的周長(zhǎng)（b＝1，2，…，N）；Ab——圖像中第b個(gè)氣泡的面積（b＝1，2，…，N）。ρb的值與1越接近就表明氣泡越接近球形。

（4）氣泡的等效直徑

由氣泡面積可以求出氣泡的等效直徑［10］，即為具有相同面積的圓形的直徑。計(jì)算公式如下式

（5）氣泡速度的測(cè)量

氣泡速度的測(cè)量是把兩個(gè)連續(xù)圖像同一氣泡形心間的位移作為氣泡在時(shí)間間隔Δt內(nèi)運(yùn)動(dòng)的距離，進(jìn)而求得運(yùn)動(dòng)速度。此時(shí)測(cè)得的上升速度可以認(rèn)定為時(shí)間間隔內(nèi)的平均速度，此方法也就是所謂的粒子跟蹤法［12］，由于高速攝像機(jī)幀頻較高，時(shí)間間隔較短也可看做是氣泡的瞬時(shí)速度。該算法主要分為氣泡的識(shí)別和氣泡的匹配兩個(gè)部分，對(duì)于同一個(gè)氣泡，在時(shí)刻不同的圖像中，用角標(biāo)b來標(biāo)記氣泡，用n表示時(shí)間。連續(xù)兩幀圖像中，氣泡質(zhì)心位移可以表示為

（6）體積含氣率的計(jì)算

要計(jì)算兩相流動(dòng)中含氣率，首先要計(jì)算出氣體的體積，也就是所有氣泡目標(biāo)的體積總和。本文中假設(shè)氣泡為球形，那么它的體積可按式（8）計(jì)算［3］

式中：Vb——圖像中第b個(gè)氣泡的體積（b＝1，2，…，N）；

Ab——圖像中第b個(gè)氣泡的面積 （b＝1，2，…，N）。

容積含氣率的計(jì)算式可以按式（9）來求

式中：Vb——圖像中第b個(gè)氣泡的體積（b＝1，2，…，N）；N——圖像中氣泡總數(shù)；V——圖像對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)段的體積。

式中：L、H——拍攝圖像的寬度和高度（按像素計(jì)算）。

3．2 氣泡參數(shù)的分析

對(duì)氣泡的以上參數(shù)進(jìn)行分析，我們可以深入了解流體中氣泡的變化趨勢(shì)以及變化規(guī)律。本文主要對(duì)氣泡的形變參數(shù)、上升速度、含氣率等幾個(gè)主要參數(shù)進(jìn)行了研究，氣泡相關(guān)特征參數(shù)如表1所示。

表1 圖像中氣泡的特征參數(shù)Table 1 The characteristic parameters of bubble in the image

從表1中可以看出，氣泡的形狀參數(shù)在1．09～1．51之間，形狀近似球形。對(duì)不同時(shí)刻的氣泡圖像采用式（9）計(jì)算容積含氣率，求得當(dāng)前工況下ρ在0．41%～0．45%之間。氣泡的上升速度如圖4所示。

圖4 上升過程中氣泡速度變化曲線Fig．4 Velocity variation of rising bubble

由圖4可知，氣泡在上升過程中速度曲線呈現(xiàn)一定上下波動(dòng)，但是各個(gè)氣泡的速度值變化幅度不大，主要是由上升過程中氣泡的受力不均勻造成的。氣泡的旋轉(zhuǎn)以及面積的變化都會(huì)對(duì)速度造成一定的影響。其中氣泡5較之其他四個(gè)氣泡速度較低，原因是由與此氣泡在上升過程中出現(xiàn)了輕微的貼壁現(xiàn)象，增加了氣泡的阻力，進(jìn)而速度偏低。由此可知在氣泡上升過程中速度的大小會(huì)受到氣泡的大小、位置等因素的影響。

4 單氣泡上升規(guī)律的研究

為了更深入地了解氣泡的運(yùn)動(dòng)特性，本文對(duì)單個(gè)氣泡的上升過程也進(jìn)行了跟蹤研究，主要是觀察氣泡的上升規(guī)律以及上升過程中速度的變化趨勢(shì)。圖5是拍攝的單氣泡上升過程，圖像截取大小為310×900像素，時(shí)間間隔為10幀。

圖5 氣泡上升圖像序列Fig．5 Sequences of rising image of single bubble

由圖6可知，氣泡的面積在上升過程中呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，結(jié)合圖5原因是由于氣泡在上升的同時(shí)還發(fā)生了氣泡的旋轉(zhuǎn)，由于此氣泡本身不是規(guī)則的圓形，故氣泡面積會(huì)出現(xiàn)面積的波動(dòng)，如果延長(zhǎng)觀測(cè)區(qū)域會(huì)看到氣泡面積在減小到一定程度以后會(huì)逐漸增大。

圖6 氣泡上升過程中面積的變化曲線Fig．6 Area variation of rising bubble

圖7為氣泡的形心位置變化曲線，氣泡以縱向運(yùn)動(dòng)為主，同時(shí)由于氣泡左右兩邊受到壓力的不同，在橫向上也會(huì)發(fā)生運(yùn)動(dòng)。結(jié)合對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)段的觀察可知?dú)馀莸倪\(yùn)動(dòng)軌跡是搖擺上升。這和文獻(xiàn)［2］的研究結(jié)論一致。

圖7 氣泡形心位置變化Fig．7 Centroid variation of bubble

5 結(jié)論

采用數(shù)字圖像處理的方法對(duì)垂直上升管中稀疏氣泡的參數(shù)進(jìn)行分析研究，得出以下結(jié)論：

（1）采用圖像法能很好地提取氣泡的周長(zhǎng)、面積、形變因數(shù)等特征參數(shù)，為氣泡行為的分析奠定了基礎(chǔ)。

（2）氣泡的速度變化幅度不太大，形變因數(shù)與氣泡面積都對(duì)氣泡的速度有較大影響；位于管中間位置的氣泡速度變化幅度明顯，震蕩幅度比較大；位置近管壁的氣泡的速度值與其他氣泡相比要小得多。

（3）氣泡的面積呈振蕩型遞減趨勢(shì)而后又逐漸開始增大。

（4）氣泡呈搖擺上升，這主要是由于氣泡在液體中左右兩側(cè)受力不均，但氣泡搖擺的幅度不大。

［1］ 趙弘，周瑞祥．基于Leyenberg-Marquard算法的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)督控制［J］．西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，36（5）：523-527．

［2］ 王紅一，董峰．基于高速攝影的水中氣泡運(yùn)動(dòng)特性的研究［C］．中國(guó)工程熱物理學(xué)會(huì)2008多相流學(xué)術(shù)會(huì)議論文，2008．

［3］ 周云龍，尚秋華，范振儒．氣液兩相流容積含氣率的圖像檢測(cè)方法［J］．熱能動(dòng)力工程，2008，23（5）：507-511．

［4］ 張建生，呂青，孫傳東．高速攝影技術(shù)對(duì)水中氣泡運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究［J］．光子學(xué)報(bào)，2000，29（10）：952-955．

［5］ 程文，宋策，劉文洪．氣液兩相流中氣泡速度的圖像處理［J］．工程熱物理學(xué)報(bào)，2009，30（1）：83-86．

［6］ 周云龍，李洪偉，陳飛．基于圖像輪廓特征和粒子群優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的氣液兩相流流型識(shí)別［J］．吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2009，39（3）：673-678．

［7］ 阮秋琦．?dāng)?shù)字圖像處理［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2005，48-49．

［8］ Gonzalez R C，Woods R E．Digital Image Processing［M］．2nd ed．Upper Saddle River：Prentice Hall，NJ，2002．

［9］ 周云龍，范振儒．流化床氣固稀相流動(dòng)體積空隙率的圖像檢測(cè)方法［J］．化學(xué)反應(yīng)工程與工藝，2009，25（5）：431-436．

［10］ 張明亮，陳剛，許聯(lián)峰．水汽兩相流中稀疏氣泡流動(dòng)速度場(chǎng)的數(shù)字圖像測(cè)量初探［J］．力學(xué)季刊，2006，25：208-212．

［11］ 楊華東．顆粒測(cè)試的圖像處理［D］．南京：南京工業(yè)大學(xué)．2005．

［12］ Guezennec Y G，Brokey R S．Algorithms for fully automated there-demensional particle tracking velocimetry［J］．Experiment in Fluids，1994，17：209-219．