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【摘要】文在总结分析气液两相流参数检测发展、数字图像处理技术、数学形态学、二维数字式粒子图像测速技术以及相机各种标定方法后，对透明垂直立方水槽中的单个或两个气泡的特征进行研究。并且通过测量空间距离误差对相机标定的结果进行了验证，通过气泡的质心坐标和相机标定模型计算出气泡的三维测量坐标，再根据两气泡之间的时间间隔计算出气泡的速度矢量。
【关键词】气液两相流；气泡特征；数字图像处理；三维测量
Ab：Based on the summary analysis of the development of detection of the parameters on Gas-liquid two phase flow，Digital image processing technology，Mathematical morphology，two-dimensional digital particle image velocimetry，varieties of calibration based on camera.This article studied the characteristics of the single or two bubbles in transparent vertical cubic tank.. And we gived the basic steps of calibration algorithm.According to Tsai two-step calibration the calibration of the CCD camera, space impact of measurement error on the camera calibration results were validated, combined with bubble centroid coordinates and camera calibration model bubbles in space coordinates in the coordinate system, next time we're on the bubble images calculated velocity vectors and size of the bubbles.
Key words: gas-liquid two-phase flow digital image processing-dimensional coordinate; features; velocity and size
目前，在气液两相流流体的研究中，最主要的问题在于气液两相流流场的检测，我们期望有一种方法，能够检测气液两相流中气泡的分布情况以及气泡的行为状态，特别是希望能够测量出气泡在管道内壁附近的分布情况，最后能够检测出气液两相流中气泡的流动趋势。本文提出了一套新的气液两相流中气泡特征参数的测量方法，可以测量出气液两相流中气泡生长过程中的形状、体积、上升的速度等特征参数 。在本次试验操作当中，主要用到的实验设备仪器有：气泡生成器证、激光光源、ccd摄像机，透明立方体水槽证，图像采集由一台CCD摄像机和四面平面镜构成，一对位置固定的平面镜，两平面镜相对于装置左右对称。水槽和CCD摄像机位于纵向对称轴上，如果激光光源照射到水槽中，使得气泡发亮，气泡此时向外辐射光线，经此CCD摄像机中可得到来自两个对称方向上的气泡投影证。
一、摄像机采集系统标定误差实验
摄像机图像采集系统的图像标定分为两部分，两侧虚拟摄像机采集对应侧位置的图像。
可以使用基准球来检验摄像机采集系统的标定准确度参数是否满足实验要求，即计算出测量到的两个基准球相对位置数值与与图像采集系统检测到的位置数值之间的差值，测量后的偏差结果如图1-1所示。坐标点个数为横向坐标，两种情况下的差值为纵向坐标。
图1-1实际虚拟测量偏差
二、提取立方水槽中气泡特征参数
本实验中，排气孔选取立方水槽底部半径最小的两个圆孔排出气泡各放置一个照明用灯泡，置于左右两个气泡视场，便于用数字图像处理技术对图像进行处理，使得实验可以更加容易分割出气泡图像，准确计算特征参数。由此，根据已经标定出的摄像机内部参数以及虚拟摄像机之间的旋转矩阵 R 和平移向量 T，进行三维重建，提取气泡质心的三维空间坐标。根据两个气泡的三维空间坐标信息和应用Matlab图像处理软件画出两个气泡在透明立方水槽中速度的方向。
结论：气液两相流工程应用效果，在很大程度上取决于气泡运动形态以及分散相和连续相之间的相互作用，电厂热循环用水管道中水中气泡的管道壁附近的分布情况直接影响管道壁的受热；气泡在管道中的运动状态和规律影响管道的受力和受热；化工流化床、鼓泡塔等反应装置中的物质混合、热量交换以及化学反应过程，气泡的大小分布及上升速度决定了有效传质面积影响反应效率。目前对于气泡特征参数的提取、气泡速度的测量主要在二维平面上，为了更好地研究气液两相流中的气液各种特性，更准确地表达气液的运动特征，并由此指导生产过程及实践，往往需要获得气泡特征参数的三维信息。本文提出的新方法是一种可行的气泡检测方法。
参考文献：
[1]任欧旭，张少峰，闰文军，等．气(汽)-液-固三相流化床中的气(汽)泡行为研究进展．河北工业大学学报，2002，31(5)：44～49
[2]郑冲，冯元鼎．用于测定多相流体系内气泡特性的微型电导测针．石油化工，1994，23（1）：46～50
[3]吕砚山，张进明．气液两相流特征参数的电子测量，山东：山东科学技术出版社，1991．1~2
[4]阮秋琦．数字图像处理学．北京：电子工业出版社，2007．14~16陈祖茂， Moore.D.W．The Velocity of Rise of Distorted Gas Bubbles in a Liquid of Small Viscosity．Journal of Fluid Mechanics，1965，23：749～766
[5]颜志红，何峰，谢贵久．气液两相流红外检测技术研究．微机处理，2012(3)：81~84
作者简介：
沈继忱(1954-)，男，教授，硕士生导师，主要从事检测技术方向的研究。
【关键词】气液两相流；气泡特征；数字图像处理；三维测量
Ab：Based on the summary analysis of the development of detection of the parameters on Gas-liquid two phase flow，Digital image processing technology，Mathematical morphology，two-dimensional digital particle image velocimetry，varieties of calibration based on camera.This article studied the characteristics of the single or two bubbles in transparent vertical cubic tank.. And we gived the basic steps of calibration algorithm.According to Tsai two-step calibration the calibration of the CCD camera, space impact of measurement error on the camera calibration results were validated, combined with bubble centroid coordinates and camera calibration model bubbles in space coordinates in the coordinate system, next time we're on the bubble images calculated velocity vectors and size of the bubbles.
Key words: gas-liquid two-phase flow digital image processing-dimensional coordinate; features; velocity and size
目前，在气液两相流流体的研究中，最主要的问题在于气液两相流流场的检测，我们期望有一种方法，能够检测气液两相流中气泡的分布情况以及气泡的行为状态，特别是希望能够测量出气泡在管道内壁附近的分布情况，最后能够检测出气液两相流中气泡的流动趋势。本文提出了一套新的气液两相流中气泡特征参数的测量方法，可以测量出气液两相流中气泡生长过程中的形状、体积、上升的速度等特征参数 。在本次试验操作当中，主要用到的实验设备仪器有：气泡生成器证、激光光源、ccd摄像机，透明立方体水槽证，图像采集由一台CCD摄像机和四面平面镜构成，一对位置固定的平面镜，两平面镜相对于装置左右对称。水槽和CCD摄像机位于纵向对称轴上，如果激光光源照射到水槽中，使得气泡发亮，气泡此时向外辐射光线，经此CCD摄像机中可得到来自两个对称方向上的气泡投影证。
一、摄像机采集系统标定误差实验
摄像机图像采集系统的图像标定分为两部分，两侧虚拟摄像机采集对应侧位置的图像。
可以使用基准球来检验摄像机采集系统的标定准确度参数是否满足实验要求，即计算出测量到的两个基准球相对位置数值与与图像采集系统检测到的位置数值之间的差值，测量后的偏差结果如图1-1所示。坐标点个数为横向坐标，两种情况下的差值为纵向坐标。
图1-1实际虚拟测量偏差
二、提取立方水槽中气泡特征参数
本实验中，排气孔选取立方水槽底部半径最小的两个圆孔排出气泡各放置一个照明用灯泡，置于左右两个气泡视场，便于用数字图像处理技术对图像进行处理，使得实验可以更加容易分割出气泡图像，准确计算特征参数。由此，根据已经标定出的摄像机内部参数以及虚拟摄像机之间的旋转矩阵 R 和平移向量 T，进行三维重建，提取气泡质心的三维空间坐标。根据两个气泡的三维空间坐标信息和应用Matlab图像处理软件画出两个气泡在透明立方水槽中速度的方向。
结论：气液两相流工程应用效果，在很大程度上取决于气泡运动形态以及分散相和连续相之间的相互作用，电厂热循环用水管道中水中气泡的管道壁附近的分布情况直接影响管道壁的受热；气泡在管道中的运动状态和规律影响管道的受力和受热；化工流化床、鼓泡塔等反应装置中的物质混合、热量交换以及化学反应过程，气泡的大小分布及上升速度决定了有效传质面积影响反应效率。目前对于气泡特征参数的提取、气泡速度的测量主要在二维平面上，为了更好地研究气液两相流中的气液各种特性，更准确地表达气液的运动特征，并由此指导生产过程及实践，往往需要获得气泡特征参数的三维信息。本文提出的新方法是一种可行的气泡检测方法。
参考文献：
[1]任欧旭，张少峰，闰文军，等．气(汽)-液-固三相流化床中的气(汽)泡行为研究进展．河北工业大学学报，2002，31(5)：44～49
[2]郑冲，冯元鼎．用于测定多相流体系内气泡特性的微型电导测针．石油化工，1994，23（1）：46～50
[3]吕砚山，张进明．气液两相流特征参数的电子测量，山东：山东科学技术出版社，1991．1~2
[4]阮秋琦．数字图像处理学．北京：电子工业出版社，2007．14~16陈祖茂， Moore.D.W．The Velocity of Rise of Distorted Gas Bubbles in a Liquid of Small Viscosity．Journal of Fluid Mechanics，1965，23：749～766
[5]颜志红，何峰，谢贵久．气液两相流红外检测技术研究．微机处理，2012(3)：81~84
作者简介：
沈继忱(1954-)，男，教授，硕士生导师，主要从事检测技术方向的研究。