[發明專利]一種稀疏兩相流中顆粒局部結構的測量方法

有效

• 申請號: 202010132167.9
• 申請日: 2020-02-29
• 公開（公告）號: CN111307669B
• 公開（公告）日: 2022-07-05
• 發明（設計）人: 孔平;王蓬;李然
• 申請（專利權）人: 上海健康醫學院
• 主分類號: G01N15/00
• 分類號: G01N15/00;G01N21/84;G06V10/44;G06V10/56;G06K9/62;G06T7/00;G06T7/62
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司 31225
• 代理人: 葉敏華

本發明涉及一種稀疏兩相流中顆粒局部結構的測量方法，包括：獲取流化顆粒圖像；對背景去噪和二值化處理后的流化顆粒圖像進行特征提取和篩選，得到每一個顆粒上白色光點的像素值；對每一個顆粒進行定位，確定每一個顆粒在直角坐標系下的坐標值；根據每一個顆粒的坐標值，構建對應的顆粒系統的Voronoi圖，并計算每一個顆粒的局部體積分數；構建包含七個拓撲結構的接觸模型；確定每一個顆粒的鍵取向序參數Q_n，結合接觸模型，對每一個顆粒進行局部結構匹配及顏色表征，計算顆粒的方位角、建立顆粒局部結構變化曲線，完成對流化顆粒局部結構的測量。與現有技術相比，本發明能夠準確測量流化顆粒的局部結構，并實現了對局部結構的可視化處理。

技術領域

本發明涉及顆粒流局部結構測量技術領域，尤其是涉及一種稀疏兩相流中顆粒局部結構的測量方法。

背景技術

在石油、化工、能源、冶金、材料、環保等領域中，存在大量黏性顆粒流態化過程。由于黏性顆粒間存在液橋，使得顆粒與鄰近顆粒產生粘連形成不同的局部結構體。在流化過程中容易產生團聚結塊現象，這將會減弱反應器內的氣固接觸，降低生產效率。在黏性顆粒流化過程的研究中，最根本、最直接的是對稀疏兩相流中黏性顆粒局部結構進行研究，因此測量黏性顆粒在流化團聚過程中局部結構的變化，對預測滑坡和泥石流等自然災害以及增強工業過程的效率具有重要意義。

目前，在顆粒流結構描述方面，有采用統計物理學分布函數來描述顆粒流的大致局部結構，比如徑向分布函數法，采用徑向分布曲線來表征以顆粒為同心圓隨半徑增加時顆粒的密度分布，但是該方法只能判斷顆粒流局部結構的疏密，無法對顆粒的拓撲結構進行測量；另外比較常用的是利用顆粒配位數或顆粒局部面積分數來測量顆粒流中的局部結構，但是這種方法需要對圖像中顆粒系統進行區域劃分，這就難免會有部分顆粒位于區域邊緣上，進而導致配位不準或誤配位的現象；并且，目前的測量方法均無法對顆粒流化過程中局部結構進行可視化處理。

發明內容

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種稀疏兩相流中顆粒局部結構的測量方法。

在材料相變領域中，為研究二維晶體熔化，建立了KTHNY理論，利用鍵取向序Q₆來表示二維系統熔化相變過程中的六角相(Hexatic)，因此很多研究者采用這種六角相來對顆粒流的結構進行描述，但目前還沒有一個完整的結構模型能夠對二維平面內所有的結構進行測量。本發明從相變領域中六角相結構受到啟發，引入鍵取向序參數(bondorientation order parameter)Q_n來表示任一顆粒與鄰近顆粒相接觸的個數，通過構建接觸模型，并計算接觸顆粒的方位角和相接觸顆粒的總數，以確定二維硫化顆粒的拓撲結構，最終實現對二維流化顆粒系統中顆粒局部結構的準確測量。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：一種稀疏兩相流中顆粒局部結構的測量方法，包括以下步驟：

S1、獲取流化顆粒圖像，并對流化顆粒圖像進行背景去噪和二值化處理，得到處理后的流化顆粒圖像；

S2、對處理后的流化顆粒圖像進行特征提取和篩選，以得到流化顆粒圖像中每一個顆粒上白色光點的像素值；

S3、根據每一個顆粒上白色光點的像素值，對每一個顆粒進行定位，確定每一個顆粒在直角坐標系下的坐標值；

S4、根據每一個顆粒在直角坐標系下的坐標值，構建對應的顆粒系統的Voronoi圖，并以此計算每一個顆粒的局部體積分數；

S5、構建接觸模型，其中，接觸模型包括與鍵取向序參數對應的七個拓撲結構；

S6、確定每一個顆粒的鍵取向序參數Q_n，結合接觸模型，以對每一個顆粒進行局部結構匹配及顏色表征，同時計算每一個顆粒的鄰近顆粒方位角、建立顆粒局部結構變化曲線，即完成對流化顆粒局部結構的測量。

進一步地，所述步驟S3具體包括以下步驟：