专利名称：气固两相流流场实时测量系统及方法
技术领域：
本发明涉及多相流激光测量技术领域，具体地说，本发明涉及一种气固两相流流场实时测量系统及方法。
背景技术：
气固两相流反应器的传热、传质及其反应性能与反应器中介尺度颗粒聚团的瞬时动力学行为密切相关。因此，通过高精度、非介入式的测量方法同时获取并在线显示微尺度单颗粒或流体微元与介尺度颗粒聚团、甚至宏观反应器尺度上的气固两相的流动信息是定量研究和开发新型高效气固两相流反应器的基础和关键。数字高速摄影(CCD)、正电子放射跟踪探测(PEPT)以及核磁共振(MRI)等测量技术均可以用于跟踪单个颗粒的运动轨迹，但它们都局限于单点测量，难以获得气固两相流的二维速度场或其它相关矢量场信息。上世纪八十年代，综合利用现代计算技术、光学技术以及图像分析技术的粒子图像测速(PIV)技术不仅突破了单点测量的局限性，而且实现了无扰动测量流场流动的物理形态并提供瞬时全场流动的定量信息。该技术通过在流场中撒入示踪粒子，以粒子速度代表其所在流场相应位置处流体的速度。应用强光照射流场中的一个平面，用成像的方法记录下连续两次或多次曝光的粒子位置，用图像分析技术得到各点粒子的位移，由此位移和曝光的时间间隔便可得到流场中各点的流速矢量以及其它运动参量。但是，气固两相难以在同一底片上同时清晰成相，再加上相机本身分辨率与视场方面固有的矛盾，导致现有的基于Piv技术的气固两相流流场测量方法局限于对较小视场内的单相流动的测量。另一方面，由于现有Piv技术在数据处理量以及处理方法方面的局限性，目前的图像测速技术无法对流场进行实时测量与显示。近年来，出现了一种两相流粒子图像测速技术，以实现对多相流中流、固两相的同时测量。该技术通过在两相流场中撒布能跟随不同相流体流动的示踪粒子，用激光片光源照射所测流场区域，通过在同一底片上连续曝光或连续在不同底片上曝光，从而获得记录示踪粒子位移的底片，最后利用多种特定的图像处理方法获得两相流场的速度分布。显然，两相测量所需的数字图像处理技术要比单相困难得多，它不仅要分辨出代表同一相颗粒在已知时间间隔里的位移，而且要将代表不同相的颗粒区分开来，即要对两相粒子的成像进行分离。目前将两相粒子成像进行分离的方法主要分为两类一类是将两相粒子成像在同一底片上后，通过特殊的软件算法来直接处理两相流数字图像将两相分离。但由于两相粒子图像分离算法非常复杂，计算量也非常巨大，因此利用该方法很难实现对两相运动矢量的高精度在线测量和显示。此外，若代表两相颗粒的光学性能不同，就会造成两相示踪粒子难以在同一底片上同时清晰取像；若代表两相示踪粒子的密度不同而水平取像时，密度大的粒子就容易跑出片光的照射区域而很容易造成找不到示踪粒子的相关点； 若代表两相粒子间的滑移速度过大，所测得的速度大的那一相示踪粒子的瞬时效应就差。 另一类是通过硬件措施(如使用特殊的摄像头或改变粒子的光学特性等)来分别获得连续相和离散相示踪粒子图像。这类做法目前仅限于对气液两相流中气泡流动[Fuzio，et al.Proceedings of Int. Conf. on Fluids Eng., Kwangju,1994 ；Tokuhiro, et al. Int. J. of Multiphase Flow, 1998,24 :1383-1406]以及低速或较稀的气固 / 液固[Martin, et al. Powder Technol.，2005，155 :175-180]等简单流动的测量。而且，相机分辨率与视场大小之间矛盾的限制也使得采用该方法一次测量所能获得的有效离散相粒子图像数较少，由于不具有代表性，因此不能完全概括和反映特定离散相粒子聚团或整个离散相的流体动力学行为。因此其应用范围受到很大的限制。综上所述，现有气固两相流流场测量技术存在实时性差，难以同时兼顾两相粒子的成像分辨率和视场大小，难以对颗粒聚团的动态演化进行定量测量等问题。因此，当前迫切需要一种能够解决上述问题的气固两相流流场实时测量与显示装置及方法。

发明内容
本发明的目的是提供一种实时性好，并且能够同时兼顾两相粒子的成像分辨率和视场大小、可以对颗粒聚团的动态演化过程进行定量测量的气固两相流流场实时测量系统及方法。为实现上述发明目的，本发明提供了一种气固两相流流场实时测量系统，包括至少一台固相摄像机，用于同步拍摄固相粒子运动轨迹图像；至少两台气相摄像机，用于同步拍摄气相示踪粒子运动轨迹图像；计算装置，用于对固相粒子运动轨迹图像和气相示踪粒子运动轨迹图像分别进行数据处理，得出固相粒子运动矢量图像和气相示踪粒子运动矢量图像；以及显示装置，用于按照各自视场同步输出并实时叠加显示固相粒子运动矢量图像和气相示踪粒子运动矢量图像。其中，所述气固两相流流场实时测量系统还包括分别控制气相摄像机和固相摄像机同步的主同步控制器和辅同步控制器；所述主同步控制器还用于控制辅同步控制器，使气相摄像机的帧频为固相摄像机帧频的整数倍。为实现上述发明目的，本发明提供了一种气固两相流流场实时测量方法，包括下列步骤用荧光粒子标记气相的运动，用高能量的激光片光照明流场中的固相粒子以及荧光示踪粒子；利用一个辅同步控制器控制至少一台低分辨率、高帧转移时间而视场相对较大且互相拼接的数字高速摄像机获取固相粒子的运动轨迹图像，利用一个主同步控制器控制上述辅同步控制器以及至少二台高分辨率、低帧转移时间而视场相对较小且互相拼接的数字高速摄像机获取气相荧光示踪粒子的运动轨迹图像，使气固两相摄像机能够在同一参考时刻被触发、但气相摄像机的帧频是固相摄像机帧频的整数倍；利用CPU(中央处理器)串行的方式对所有固相摄像机所获取的图像采取全局粒子互相关算法，即首先对固相粒子图像进行二值化处理，然后将前一幅图像中某一固相粒子与后一幅图像中所有参考粒子进行模式匹配以鉴别配对粒子的方法来计算固相粒子的运动矢量；利用GPU(图形处理器)并行的方式对所有气相摄像机所获取图像采取局部灰度互相关算法，即首先将前一幅图像中气相示踪粒子图像分割成小的局部判读区域，然后针对某一判读区域在后一幅图像中寻找与其存在最大灰度相似度的区域的方法来计算气相荧光示踪粒子的运动矢量；利用GPU并行的方式将同一时刻的固相粒子图像与气相示踪粒子运动矢量图像叠加，若固相粒子图像与某一个或多个气相示踪粒子图像局部判读区域在一定程度上重叠，则删除由这一个或多个局部判读区域所产生的错误气相示踪粒子运动矢量；利用GPU并行的方式将同一气相摄像机所取得的经过误矢量剔除后的气相示踪粒子运动矢量图像与同一时刻固相粒子运动矢量图像对应区域同步输送到同一个显示屏阵列的不同显示屏或同一个显示屏的不同显示区域在线显示。根据固相粒子起始流态化空隙率定义一个颗粒团聚物内粒子之间所能存在的最大距离，计算任意时刻、任意两个固相粒子之间的距离并与上述最大距离值比较，小于该最大值的所有固相粒子被判定为属于同一个颗粒团聚物，并由此进一步定量研究该颗粒团聚物的动态演化规律。与现有技术相比，本发明具有下列技术效果1、扩展了图像测速技术的适用范围，提高了气固两相流无扰动实验测量的效率；2、解决了数字高速摄像机镜头视场与分辨率之间的矛盾，避免了后续复杂的相分离运算；3、提高了气固两相图像处理的效率，实现了对气固两相流流场的实时测量；4、提高了一次测量所能获取固相粒子的有效样本数，为定量研究颗粒聚团的动态演化提供可能。


以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中图1示出了本发明一个实施例利用一台固相数字高速摄像机和二台气相数字高速摄像机的气固两相流流场实时测量方法及装置的结构示意图；图2示出了上述实施例中气固两相粒子运动轨迹图像多尺度并行实时处理与显示软件系统流程图。
具体实施例方式根据本发明的一个实施例，提供了一种气固两相流流场实时测量方法。该方法基于图1所示的气固两相流流场实时测量系统实现。参考图1，该实施例中的气固两相流流场实时测量系统包括高能量激光片光光源1、一台固相数字高速摄像机2和相应的辅同步控制器5、二台气相数字高速摄像机3和4以及相应的主同步控制器6、加载有一个或多个图形处理器(GPU)的计算机7、以及用于对气固两相运动矢量图像进行实时显示的显示屏或显示屏阵列8。其中，固相数字高速摄像机2是用于采集固相粒子运动轨迹图像的低分辨率、高帧转移时间数字高速摄像机。二台气相数字高速摄像机3和4均是用于采集气相荧光示踪粒子运动轨迹图像的高分辨率、低帧转移时间数字高速摄像机。所述气相数字高速摄像机 3和4以及固相数字高速摄像机2均采用透镜平移法、分别布置于目标平面9的两侧，以使二台气相数字高速摄像机3和4的视场10与11互相拼接，且二者的累加视场与固相数字高速摄像机2的视场之间的共同视场尽可能大。所述计算机7上安装有气固两相粒子运动轨迹图像多尺度并行实时处理与显示软件系统，该软件系统基于Windows应用平台并采用VisualMudio 2008编程，提供良好的用户可扩展空间。本实施例提供的气固两相流流场实时测量方法包括下列步骤一、用相应的数字高速摄像机分别获取气固两相粒子运动轨迹图像对气相示踪粒子进行荧光涂层处理，通过主同步控制器6控制气相数字高速摄像机3和4同步获得气相荧光示踪粒子的运动轨迹图像。辅同步控制器5控制固相数字高速摄像机2获得固相粒子的运动轨迹图像。主同步控制器6在同一参考时刻触发两台气相数字高速摄像机3和4，并且主同步控制器6控制辅同步控制器5，使辅同步控制器5也在所述参考时刻(即主同步控制器6触发两台气相数字高速摄像机3和4的参考时刻)触发固相数字高速摄像机2。并且，由主同步控制器6控制辅同步控制器5，使固相数字高速摄像机 2的曝光时间间隔是气相数字高速摄像机3 (或4)的整数倍，即气相数字高速摄像机3 (或 4)的帧频是固相数字高速摄像机2的整数倍。二、用不同的计算方法分别得出气固两相粒子的运动矢量图像将上述气固两相粒子运动轨迹图像同时输入计算机7，并采用不同的处理方式和计算方法对气固两相粒子运动轨迹图像进行处理。本实施例中，计算机7的所述软件系统(如图2所示)利用CPU并通过串行处理的方式、采用全局粒子互相关算法处理固相数字高速摄像机2拍摄的固相粒子运动轨迹图像。即利用CPU串行处理的方式，首先对固相粒子图像进行二值化处理，然后将前一幅图像中某一固相粒子与后一幅图像中所有参考粒子进行互相关模式匹配以鉴别配对粒子，进而计算出固相粒子的运动矢量。全局粒子互相关算法的详细内容可参考文献[Yamamoto， et al. J. of Flow Visualization and Image Processing, 1996, 3 :51-64]中的记载，这里不再赘述。本实施例中，计算机7的所述软件系统(如图2所示)利用GPU并通过并行处理的方式、采用局部灰度互相关算法处理气相数字高速摄像机3和4拍摄的气相荧光示踪粒子运动轨迹图像。即先将二台气相数字高速摄像机所获取图像划分为多个正方形或矩形的局部判读区域，并为每一个局部判读区域单独分配一个GPU中的计算线程，然后通过 GPU并行处理的方式，针对前一幅图像中某一局部判读区域在后一幅图像中寻找与其存在最大灰度相似度的区域以鉴别配对的局部判读区域，进而计算出代表该局部判读区域的运动矢量。局部灰度互相关算法的详细内容可参考文献[Adrian. Annual Review of Fluid Mechanics, 1991,23 :261-304]中的记载，这里不再赘述。三、删除气相荧光示踪粒子运动矢量图像中的误矢量将同一时刻的固相粒子图像与气相荧光示踪粒子运动矢量图像叠加，进行实时误矢量删除处理。根据前文所述，局部灰度互相关算法实际上得出的是局部判读区域内所有粒子的平均运动矢量，并通过局部判读区域中心点的运动矢量表现出来。由于气相荧光示踪粒子图像中固相粒子所占据的位置实际上不存在粒子，这一空档使得互相关计算时包含这部分区域的局部判读区域可能会产生错误的运动矢量，且这种可能性会随固相粒子特征尺寸与相应局部判读区域特征尺寸的比值的增大而增大。本实施例中，为每一个固相粒子单独分配一个GPU中的计算线程，然后通过GPU并行处理的方式，将同一时刻的固相粒子图像与气相示踪粒子运动矢量图像叠加以进行误矢量删除处理。即预先设定一个重叠区域阈值或重叠区域占局部判读区域面积比率阈值，当固相粒子图像与气相示踪粒子运动矢量图像中某一局部判读区域重叠面积或重叠面积占局部判读区域面积比率大于相应的阈值时，可判定二者重叠，并将由该局部判读区域产生的气相荧光示踪粒子运动矢量作为误矢量删除。本实施例就是利用了固相摄像机得出的固相粒子位置，来排除气相荧光示踪粒子运动矢量图像中的错误，弥补了局部灰度互相关算法的不足。四、同步输出并实时显示气固两相粒子运动矢量图像将经过误矢量剔除后的气固两相粒子运动矢量图像同步输送到显示屏或显示屏阵列8在线显示。本步骤中，为每一台气相摄像机所取得的经过误矢量剔除后的气相示踪粒子运动矢量图像单独分配一个GPU中的计算线程，然后通过GPU并行处理的方式，将其与同一时刻固相粒子运动矢量图像对应区域同步输送到显示屏阵列或显示屏8的不同显示屏或不同显示区域在线显示。不同气相摄像机所取得的气相荧光示踪粒子运动矢量图像拼接成一幅图像，并与固相粒子运动矢量图像同步叠加显示，从而得到大视场内的气固两相流流场动态图像。本实施例利用GPU并行处理的方式，分别调取并同步输出由不同气相摄像机所获取的气相荧光示踪粒子运动矢量图像和由不同固相摄像机所获取的固相粒子运动矢量图像或图像中的某一区域，解决了海量数据密集读取和显示需要耗费大量非计算时间的问题，提高了气固两相流测量和显示的实时性。在上述气固两相流流场动态图像的基础上，利用由固相粒子起始流态化空隙率决定的颗粒间最大距离原则对颗粒聚团加以判别，可以进一步对其随气固两相相互作用的动态变化而变化的行为进行定量研究。具体地，根据固相粒子起始流态化空隙率定义一个颗粒团聚物内粒子之间所能存在的最大距离，计算任意时刻、任意两个固相粒子之间的距离并与上述最大距离值比较，小于该最大值的所有固相粒子被判定为属于同一个颗粒团聚物，并由此进一步定量研究该颗粒团聚物的动态演化规律。本发明所能实现的有益技术效果包括(1)采取与气固两相流动多尺度本质相一致的硬件设计和软件算法，扩展了图像测速技术的适用范围和提高了气固两相流无扰动实验测量的效率；( 用荧光粒子标记气相运动、并采用特殊的硬件设计，将两相分别取像的方法应用于气固两相流系统，解决数字高速摄像机镜头视场与分辨率之间的矛盾，避免了后续复杂的相分离运算；C3)采用与图像性质相适应的不同图像计算方法对两相粒子运动轨迹图像以及气相各局部判读区域进行多尺度并行实时处理和显示，提高计算效率以实现气固两相流流场的在线测量；(4)可测量视场的扩大提高了一次测量所能获取固相粒子的有效样本数，从而为定量研究颗粒聚团的动态演化提供可能。需说明的是，本发明也可以使用多台固相数字高速摄像机和更多的气相数字高速摄像机，并根据上文描述进行拼接和叠加来得出更大视场内的气固两相流流场动态图像。 上述实施例的气固两相流流场实时测量方法及装置只是本发明的一种具体实施方式
，它不应该理解为是对本说明的保护范围进行任何限制。而且，本领域的技术人员可以明白，在不脱离本实施例精神和原理下，对本实施例所进行的各种等效变化、变型以及在文中没有描述的各种改进均在本专利的保护范围之内。
权利要求
1.一种气固两相流流场实时测量系统，其特征在于，包括至少一台固相摄像机，用于同步拍摄固相粒子运动轨迹图像；至少两台气相摄像机，用于同步拍摄气相示踪粒子运动轨迹图像；计算装置，用于对固相粒子运动轨迹图像和气相示踪粒子运动轨迹图像分别进行数据处理，得出固相粒子运动矢量图像和气相示踪粒子运动矢量图像；以及显示装置，用于按照各自视场同步输出并实时叠加显示固相粒子运动矢量图像和气相示踪粒子运动矢量图像。
2.根据权利要求1所述的气固两相流流场实时测量系统，其特征在于，还包括分别控制气相摄像机和固相摄像机同步的主同步控制器和辅同步控制器；所述主同步控制器还用于控制辅同步控制器，使气相摄像机的帧频为固相摄像机帧频的整数倍。
3.一种气固两相流流场实时测量方法，其特征在于，包括下列步骤1)用至少一台固相摄像机同步拍摄固相粒子运动轨迹图像，用至少两台气相摄像机同步拍摄气相示踪粒子运动轨迹图像；2)对固相粒子运动轨迹图像和气相示踪粒子运动轨迹图像分别进行数据处理，得出固相粒子运动矢量图像和气相示踪粒子运动矢量图像；3)按照各自视场同步输出并实时叠加显示固相粒子运动矢量图像和气相示踪粒子运动矢量图像。
4.根据权利要求3所述的气固两相流流场实时测量方法，其特征在于，所述步骤1)中， 气相摄像机的帧频是固相摄像机帧频的整数倍。
5.根据权利要求4所述的气固两相流流场实时测量方法，其特征在于，所述步骤1)中， 所述固相摄像机和气相摄像机均为数字高速摄像机，所述固相摄像机相对于所述气相摄像机分辨率较高、帧转移时间较低且视场较大，所述固相摄像机总视场和气相摄像机的总视场内包含有共同的拍摄区域。
6.根据权利要求3所述的气固两相流流场实时测量方法，其特征在于，所述步骤2)中， 采用全局粒子互相关算法得出固相粒子运动矢量图像，采用局部灰度互相关算法得出气相示踪粒子运动矢量图像。
7.根据权利要求3所述的气固两相流流场实时测量方法，其特征在于，所述步骤2)中， 对固相粒子运动轨迹图像，基于CPU串行处理的方式采用全局粒子互相关算法得出固相粒子运动矢量图像；对气相示踪粒子运动轨迹图像，将所有气相摄像机所获取的图像划分为多个局部判读区域，然后利用GPU并行的方式对这些局部判读区域同时采取局部灰度互相关算法进行数据处理，最终得到完整的气相示踪粒子运动矢量图像。
8.根据权利要求7所述的气固两相流流场实时测量方法，其特征在于，所述步骤2)和步骤幻之间还包括步骤21)，21)当固相粒子运动矢量图像中的固相粒子与气相示踪粒子运动矢量图像中的某局部判读区域重叠时，将由该局部判读区域产生的运动矢量作为误矢量删除。
9.根据权利要求3所述的气固两相流流场实时测量方法，其特征在于，所述步骤3)中， 通过GPU并行处理的方式，将气相示踪粒子运动矢量图像与同一时刻固相粒子运动矢量图像对应区域同步输送到显示屏阵列的不同显示屏或显示屏的不同显示区域实时显示。
10.根据权利要求3所述的气固两相流流场实时测量方法，其特征在于，还包括步骤4)，4)根据固相粒子起始流态化空隙率确定一个颗粒团聚物内粒子之间所能存在的最大距离，计算同一时刻任意两个固相粒子之间的距离并与所述最大距离比较，得出属于同一个颗粒团聚物的所有固相粒子，进而研究该颗粒团聚物的动态演化规律。
全文摘要
本发明提供一种气固两相流流场实时测量系统及方法，系统包括至少一台固相摄像机、至少两台气相摄像机、计算装置以及显示装置。方法包括1)控制至少一台低分辨率、高帧转移时间而视场相对较大且互相拼接的数字高速摄像机获取固相粒子的运动轨迹图像，控制至少二台高分辨率、低帧转移时间而视场相对较小且互相拼接的数字高速摄像机获取气相荧光示踪粒子的运动轨迹图像；2)分别得出气固两相粒子的运动矢量图像；3)同步输出并实时显示气固两相粒子运动矢量图像。本发明扩展了图像测速技术的适用范围，提高了气固两相流测量的效率；避免了复杂的相分离运算；实现了气固两相流流场的在线测量；为定量研究颗粒聚团的动态演化提供可能。
文档编号G01N11/00GK102313684SQ20101022820
公开日2012年1月11日 申请日期2010年7月8日 优先权日2010年7月8日
发明者刘新华, 李静海, 葛蔚 申请人:中国科学院过程工程研究所