[發明專利]液體旋流場中微粒自轉的同步高速攝像方法及裝置

有效

• 申請號: 201410323142.1
• 申請日: 2014-07-08
• 公開（公告）號: CN104062091A
• 公開（公告）日: 2014-09-24
• 發明（設計）人: 黃淵;汪華林;邱陽;付鵬波;張艷紅;白志山;楊強;何鳳琴
• 申請（專利權）人: 華東理工大學
• 主分類號: G01M10/00
• 分類號: G01M10/00;G01P3/38
• 代理公司: 上海專利商標事務所有限公司 31100
• 代理人: 項丹

技術領域

本發明屬于液-固兩相流測試領域，涉及一種利用高速攝像系統測試液體旋流場中微粒自轉運動的方法及裝置。具體地說，涉及一種利用兩臺正交布置的高速數字相機同步測試液體旋流場中微粒自轉運動的方法及裝置。

背景技術

液-固旋流分離技術以其高效、節能等優勢廣泛應用于石油煉制和化工過程生產中，隨著重質油煉制技術的發展，含油多孔廢催化劑的回收處理成為了制約煉油技術發展的難題，旋流洗滌脫附技術有效地解決了含油多孔顆粒脫油處理的問題。在旋流洗滌脫附的技術研究中發現，微粒不僅圍繞旋流場中心做公轉運動(傳統意義上的液-固旋流分離)，還有圍繞其自身瞬時軸的自轉運動，顆粒自轉運動對顆粒攜帶的油具有強化分離作用。為研究旋流場中微粒的自轉運動對污染物的強化分離作用，本領域中提出了適用于旋流場中微粒自轉運動的測試方法并開發了測試裝置。

本領域中對液體剪切流場中懸浮顆粒的旋轉運動也有很多研究，但是由于流場的復雜和測試技術限制，基本處于低顆粒雷諾數條件下的簡單剪切流動，而對于高顆粒雷諾數湍流條件下顆粒自轉運動的研究非常少。

Simon Klein(Measurement Science and Technology(測量科技)，2013，第24卷第2期，第1-10頁)等報告了一種同時三維測量微細慣性顆粒軌跡、平移和自轉，以及湍流的測試技術。其利用了三臺高速CMOS相機采用LPT方法測試了顆粒三維軌跡，通過追蹤強吸水性聚合物球形顆粒表面嵌入的多個100微米熒光粒子的瞬時變化來分析von Kármán流場中顆粒的自轉運動。聚合物顆粒有強吸水性浸入水中后直徑從1～2mm長大到約10mm，密度與水相當。三臺高速CMOS相機幀頻為2900fps，圖像分辨率為768×768。

Colin R.Meyer(Rotational diffusion of particles in turbulence(渦流中顆粒的旋轉分散)，arXiv preprint arXiv:1301.0150,2013)等利用立體顆粒圖像速度測量技術(SPIV)測試了一個對稱攪拌槽內球形顆粒和橢球顆粒的旋轉運動。球形顆粒直徑為8mm，橢球顆粒長徑和短徑分別是16mm和8mm，密度為1007kg/m³。流場中球形顆粒和橢球顆粒的雷諾數分別是22和63。測試的時間分辨率(相機拍攝幀頻)為14.773Hz。其測試得到的球形顆粒自轉速度為[Ω_x,Ω_y,Ω_z]＝[-0.012,-0.029,0.021]Rad/s，橢球顆粒自轉速度為[Ω_x,Ω_y,Ω_z]＝[-0.024,-0.052,0.011]Rad/s。

而對于液-固微旋流器，其旋流場最大切向速度可達8～10m/s，其分離的顆粒直徑一般在微米級。這就要求測試具有更高的時間和空間分辨率。

迄今為止，對于液-固微旋流器內低粘度高湍流流體中微米級顆粒的自轉速度，本領域尚未開發出一種有效的測量方法。

發明內容

本發明提供了一種新穎的液體旋流場中微粒自轉的同步高速攝像方法及裝置，從而解決了現有技術中存在的問題。

一方面，本發明提供了一種液體旋流場中微粒自轉的同步高速攝像方法，該方法包括以下步驟：

(1)選擇直徑相等、中心對稱布置兩個內核的透明或半透明微粒作為自轉測試顆粒；

(2)采用兩臺或更多臺高速攝像機同步獲取液體旋流場中微粒運動的二維圖像序列；

(3)通過所得的二維圖像序列重構微粒三維運動軌跡，同時獲得微粒在旋流場中的自轉速度。

在一個優選的實施方式中，在步驟(1)中，選擇的自轉測試顆粒的外殼為透明或者半透明球形，內包兩個深色、直徑相等、中心對稱布置的內核，直徑小于500微米，并且變形系數小于5％。

在另一個優選的實施方式中，在步驟(2)中，采用兩臺正交布置的高速攝像機，其同步拍攝誤差小于10微秒，拍攝視場景深不低于旋流場直徑的20％。

在另一個優選的實施方式中，在步驟(3)中，通過所得的二維圖像序列中微粒的二維運動軌跡擬合重構在待測區域內的三維運動軌跡；通過分析圖像序列中微粒中的兩個內核投影的重疊與分開頻率來確定微粒的自轉速度，對微粒自轉角度的分辨精度為90度。

在另一個優選的實施方式中，所述方法同時測試了液體旋流場中微粒圍繞旋流場幾何中心的公轉運動和圍繞其自身瞬時軸的自轉運動；液體旋流場的最大切向速度不大于10m/s。