[發明專利]管道內周向液膜特征光學畸變校正與測量方法

有效

• 申請號: 201611218416.6
• 申請日: 2016-12-26
• 公開（公告）號: CN106770115B
• 公開（公告）日: 2020-04-28
• 發明（設計）人: 薛婷;吳斌
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01N21/64
• 分類號: G01N21/64
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 劉國威

本發明屬于多相流測試領域，為實現不依賴于管道的材料、形狀、尺寸以及工作液體的折射率,即使在圓管外不加方形水套也可以實現周向液膜特征的非侵入、高精度測量與分析。本發明采用的技術方案是，管道內周向液膜特征光學畸變校正與測量方法，步驟如下：1)、設計適用于管道內周向液膜測量的圓形校準靶標；2)、將靶標畸變圖像與理想靶標圖像上的特征點進行匹配；3)、調整片狀激光，使其水平照亮靶標平面處的管道橫截面；4)、將采集的液膜原始圖像進行灰度化、差影及濾波預處理；5)、將畸變校正后的雙視角圖像中心位置重合。本發明主要應用于多相流測試場合。

技術領域

本發明屬于多相流測試領域，特別涉及一種管道內周向液膜特征的光學畸變校正和測量方法。

背景技術

對于管道內氣液兩相流，當氣相占據管道截面中心，而液相附著于管道內壁流動時，稱為氣液環狀流。環狀流具有較寬的氣、液相流速范圍，而且液膜流動消耗少，熱質交換能力強，廣泛存在于石油、化工、水利、能源、冶金、核工業等國民經濟重要的工業生產過程、系統和裝備中。對于管道內液膜重要的特征參數，如液膜厚度及其分布、波速、液膜與管壁間剪切應力等的準確測量具有非常重要的意義。在高流速下，由于液霧以及氣液相間的相互作用，液膜流動呈現非軸對稱性，除了沿液膜流動方向的管道軸向液膜流動結構，解析管道圓周截面上的液膜流動特征和流動結構具有更為重要的研究意義。

典型的管道內液膜流場測試方法，如基于電導探針的測量方法僅能探測其附近的信號，且具有平均效應，在液膜厚度較大時，信號靈敏度會降低，即使采用多電導電極陣列，對于隨時空高速變化的動態液膜而言，仍然難以獲得足夠高的時空分辨率。平面激光誘導熒光(PLIF)技術是一種具有原理優勢的流場診斷方法，具有非侵入、高時空分辨率、場測量以及可視化的突出優勢，已成為環狀流和液膜研究的前沿和熱點。該方法是采用接近熒光物質最大吸收波長的激光作為激發光源，照射空間流場某一截面，誘導溶于液相中的熒光分子發出熒光，利用高速攝像機獲取熒光圖像并進行診斷的一種先進光學診斷方法。

針對基于PLIF的液膜流動測試，由于管道以及氣液相折射率的差異，以及管道彎曲形狀所帶來的影響，攝取到的液膜圖像難免失真，采集計算得到的實際液膜厚度大于原始液膜厚度。目前為了克服管道內液膜光路畸變和失真帶來的影響，使其易于診斷，一般會建立矩形管道，或通過折射率匹配的方法，即在圓管外安裝方形管道，其間充滿折射率相近的工作液體來進行光路補償，這種基于外加結構的折射率匹配方法增加了測量的復雜性，在有些場合也難以實現。因此，如何實現管道內液膜特征的普適性、高精度測量成為具有突破性的關鍵技術之一。

發明內容

為克服現有技術的不足，本發明旨在提出一種基于靶標校準的管道內周向液膜光學畸變校正和測量方法，不依賴于管道的材料、形狀、尺寸以及工作液體的折射率,即使在圓管外不加方形水套也可以實現周向液膜特征的非侵入、高精度測量與分析。本發明采用的技術方案是，管道內周向液膜特征光學畸變校正與測量方法，步驟如下：

1)、設計適用于管道內周向液膜測量的圓形校準靶標，采集液相工質條件下待測周向截面的靶標畸變圖像，提取靶標畸變圖像上的特征點；

2)、將靶標畸變圖像與理想靶標圖像上的特征點進行匹配，基于多項式函數建立原始圖像與畸變圖像特征點之間的映射數學模型；

3)、調整片狀激光，使其水平照亮靶標平面處的管道橫截面，激發溶解有特定熒光溶劑的軸向液膜產生熒光，利用高速攝像機攝取圓管內周向液膜的雙視角熒光圖像；

4)、將采集的液膜原始圖像進行灰度化、差影及濾波預處理，并基于映射數學模型對預處理后的液膜圖像進行畸變校正，具體分為兩步，一是對原畸變圖像與畸變校正后圖像進行映射變換，二是基于灰度插值確定畸變校正后圖像的灰度值；

5)、將畸變校正后的雙視角圖像中心位置重合，并對攝取的左、右半周液膜圖像有效部分進行融合，準確還原周向液膜的流動狀態，以便提取周向液膜特征，并進一步分析管道內液膜的演化特性及傳熱傳質特性。