[发明专利]一种同步测量喷雾远场液滴粒径和液滴瞬时速度分布的试验装置及方法

说明书

本发明公开了一种同步测量喷雾远场液滴粒径和液滴瞬时速度分布的试验装置及方法，本试验装置包括喷雾可视化系统，高速成像系统和计算机；利用高速成像系统对喷雾可视化系统内的喷雾进行图像采集，由计算机对采集的图像进行处理的同时还可以对系统各单元进行控制。基于该试验装置，本申请还提出了同步测量喷雾远场液滴粒径和液滴瞬时速度分布的试验方法，采用分割离散液滴的算法，将喷雾图像中每个液滴分割成连通区域，计算液滴的中心和直径；基于分割出的离散液滴，利用离散液体配对测量瞬时速度的算法计算出离散液滴的瞬时速度，将同一液滴不同时刻的中心位置相连，获得液滴在喷雾过程中的运动轨迹；进而达到同步测量远场区域离散液滴粒径和瞬时速度分布技术目的。

技术领域

本发明属于喷雾多相流测试领域，尤其涉及一种同步测量喷雾远场液滴粒径和液滴瞬时速度分布的试验装置及方法，具体涉及喷雾远场有效测量区域高时间和空间分辨率成像，图像中液滴分割算法和离散液滴配对算法以及液滴粒径和液滴速度的实时同步准确测量。

背景技术

喷雾过程被广泛运用于各种工业过程，主要包括：动力系统的燃料喷射，医疗鼻喷雾，药品制备相关的喷雾干燥和涂敷，农业喷雾(除草剂和杀虫剂等)和化妆品喷雾(香水、保湿水和发胶等)。深刻认识喷雾过程产生离散液滴的粒径和速度分布，是解决涉及喷雾多相流传热传质问题的基础，能从根本上实现相关过程的优化。因此，针对喷雾远场离散液滴粒径和瞬时速度的同步测量具有重大意义。

目前，针对远场喷雾的定量测量比较成熟的方法主要包括：针对单点液滴速度和粒径的相位多普勒干涉(PDI)测量，针对平面内问询窗口液滴平均速度场的粒子图像测量(PIV)和针对组分的平面激光诱导荧光(PLIF)测量等。

其中，PDI能够实现液滴粒径和速度同步测量，但是它存在单点测试和价格昂贵的缺点。针对液滴粒径和速度同步试验测量一直是多相流测试的难点技术，低成本、高时效的测量方法亟需开发，测量精度亟需提高。

发明内容

针对现有测量技术和方法的不足，本发明提供了一种同步测量喷雾远场液滴粒径和液滴瞬时速度分布的试验装置及方法，本发明利用LED点阵光源和相机控制方法，实现高喷雾远场高时间和空间分辨率成像，基于分割离散液滴和离散液体配对测量瞬时速度，达到同步测量远场区域离散液滴粒径和瞬时速度分布技术目的。

本发明通过以下技术方案实现以上目的。

一种同步测量喷雾远场液滴粒径和液滴瞬时速度分布的试验方法，包括如下步骤：

步骤1：采集喷雾远场液滴的喷雾图像；

步骤2：采用分割离散液滴的算法，将喷雾图像中每个液滴分割成连通区域，计算液滴的中心和直径；

步骤3，基于步骤2中分割出的离散液滴，利用离散液体配对测量瞬时速度的算法计算出离散液滴的瞬时速度，将同一液滴不同时刻的中心位置相连，获得液滴在喷雾过程中的运动轨迹。

进一步，步骤2中分割离散液滴的方法为：

S1)将原始图像转化为灰度图矩阵I_g，进行二维中位数滤波获得矩阵I_m；

优选地，执行中位数滤波时每个输出像素包含I_g中对应像素周围的n×n区域中位数值，n大于5倍的液滴平均直径；

S2)二值化处理矩阵I_m，获得矩阵I_b；

S3)计算矩阵I_b中每个像素点与最近的非零像素之间的欧氏距离，获得矩阵I_d；

S4)对矩阵I_d进行分水岭变换，以此分离图像中相互接触的液滴，获得新的二值矩阵I_b，2；

S5)从二值矩阵I_b，2中确定连通区域；