[发明专利]气固两相流流场实时测量系统及方法

说明书

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