水中氣泡圖像處理方法及運動特性研究.pdf

1、氣液兩相流場的測量是目前多相流體力學(xué)研究中的一個難點。其中，水中氣泡的運動機理和規(guī)律是氣液兩相流中的基本問題。研究氣泡的特征參數(shù)及運動特性，對于指導(dǎo)兩相流實驗系統(tǒng)的設(shè)計、有效控制各種化學(xué)反應(yīng)過程具有重要意義，并有助于進(jìn)一步深入理解兩相流的內(nèi)部流動機理。本課題運用數(shù)字圖像處理與分析技術(shù)，研究了對水中上升氣泡的多種運動特性，主要研究工作包括以下幾個方面：
　　 (1)為了獲得不同生成條件下水中氣泡的2D平面和3D空間的圖像序列，建立

2、了一套可視化兩相流場圖像采集實驗系統(tǒng)；分別對圖像的去噪、二值化、填充、邊緣檢測等預(yù)處理算法進(jìn)行了討論，并提出了一種基于圖像背景像素點傳染的氣泡填充算法，實現(xiàn)了對邊緣不閉合氣泡的良好填充，進(jìn)而實現(xiàn)了氣泡特征參數(shù)的順利提??；并通過對實驗圖像進(jìn)行標(biāo)定處理，計算了圖像的縮放系數(shù)。在此基礎(chǔ)上，對氣泡的運動特性進(jìn)行了研究和討論。
　　 (2)利用圖像技術(shù)對初始生成氣泡的體積進(jìn)行了計算，通過分析實驗測量數(shù)據(jù)，提出了改進(jìn)的氣泡生成體積預(yù)測模型，

3、解決了氣體體積流量由小到大過渡時期的氣泡體積難預(yù)測的問題，并提高了預(yù)測精度；通過對穩(wěn)定上升時的單氣泡進(jìn)行受力分析，建立受力平衡方程，并結(jié)合數(shù)字圖像測量到的氣泡速度、加速度等參數(shù)，推導(dǎo)出了穩(wěn)態(tài)上升氣泡的體積計算公式：對于存在較弱相互作用的上升氣泡，則介紹了一種基于Hough變換的3D氣泡橢球體重構(gòu)的方法，從而可以估測氣泡體積。
　　 (3)提出了一種將貼標(biāo)簽法、互相關(guān)算法和小波多尺度分析法相結(jié)合的軌跡跟蹤方法，對多個氣泡同時上升的

4、情況實現(xiàn)了良好的跟蹤，在提高運算速度的同時保證了跟蹤精度；觀察了氣泡軌跡的由線性上升到“之”字形上升，再到螺旋上升的轉(zhuǎn)變過程，并討論了氣泡脫離頻率對穩(wěn)態(tài)上升時刻氣泡軌跡的影響；通過觀察氣泡初始生成時期的上升速度曲線的震蕩特性，將其劃分為4個區(qū)域：氣泡生長區(qū)、速度增長區(qū)、速度下降區(qū)和氣泡穩(wěn)態(tài)上升區(qū)，且同一工況下生成的氣泡的初始速度在前三個區(qū)域具有較好的重復(fù)性；并進(jìn)一步討論氣泡大小、氣泡縱橫比和氣泡脫離頻率對氣泡末速度的影響，表明氣泡的末速

5、度與氣泡的生成條件和氣泡上升時的變形程度密切相關(guān)。
　　 (4)通過觀察不同氣體流量下生成氣泡的高速圖像，以氣泡生成的周期性和氣泡間相互作用的表現(xiàn)形式為依據(jù)，將氣泡的生成流型分為5類：單氣泡上升、氣泡間存在相互作用但不發(fā)生聚并、氣泡間存在聚并與破碎、間歇性噴射流、噴射流，對各種流型的運動特征進(jìn)行了詳細(xì)的描述；提取了基于GLCM和GLGCM的多種圖像紋理特征，通過特征選擇尋找最優(yōu)的特征組合方式，并利用SVM多分類器對氣泡的生成流型