[发明专利]一种基于计算几何学理论的多相混合均匀性的判断方法

说明书

本发明公开了一种基于计算几何学理论的多相混合均匀性的判断方法,具体包括以下步骤：S1、利用高速摄像机对实时气泡群进行图像拍摄，得到实时气泡群图像；S2、对所述实时气泡群图像进行处理，提取所述实时气泡群中每个不规则气泡的质心坐标，并对所述坐标做归一化处理；S3、基于气泡群的空间分布和归一化处理后的质心坐标，利用平均距离法判断所述实时气泡群的气泡混合的均匀性；S4、借助计算几何学理论，利用所述气泡混合的均匀性来判断工质与热源的混合均匀性和混和效率以及搅拌效果。本发明能够有效的判断随机不规则气泡群的混合均匀性，严格考虑了气泡的空间分布，减少了时间的复杂度，并有效的减少局部不均匀和整体不均匀的误差。

技术领域

本发明属于冶金、化学工程技术领域，特别是涉及一种基于计算几何学理论的多相混合均匀性的判断方法。

背景技术

目前，混合效率(混合均匀性)不管是在微结构反应器,还是在宏观深海环流中湍流混合和地球上的岩浆混合过程中都有广泛的应用。材料冶金、医疗、化工等各个领域也都需要对混合效率进行有效评估。混合效率对反映整体性能有着决定性的影响。在直接接触式换热器中，高效的混合效率不仅要满足热量传输需求，还要求能在最短的时达到混合均匀性，因此，整个混合系统达到均匀状态的混合时间也是非常重要的参数。

搅拌是化工、冶金过程中最常见的操作之一，但将搅拌反应器从实验室规模直接放大到大规模的工业生产中，仍是没有把握的，至今仍需要通过逐级放大来达到搅拌设备所要求的传质、传热和混合。这种方法不但耗费财力和大量的人力和物力，而且设计周期很长。直接接触式换热器中的冷热流体换热的过程我们无法直观的观察到，为了评价热源与工质的混合状态和混合效率，利用换热过程中产生的气泡分布(均匀性)来表征工质与热源的混合均匀性和混和效率，同时在化工、冶金工业过程中，搅拌过程也可以通过研究搅拌过程中产生的气泡群的混合均匀性来表征。分散相液滴在连续介质中的传热特性即气泡群的分布是一个极其复杂的过程(动力学和均匀性)。

目前已经发展了研究混合时间的技术有：比色法，电容层析成像法，平面激光诱导荧光法，热成像法，电导和PH值测量等。除了这些实验方法外，目前还有基于数学理论的数学量化法，这些数学方法操作简单，快速，主要以混合过程中产生的气泡群为研究对象，通过测量混合均匀性也可以得到混合时间。代数拓扑中贝蒂数法分析了气泡的和的耦合关系，但是贝蒂数的方法没有考虑空间分布，只是数量上的定量描述，气泡群处于聚集状态与分散状态时，两类图像可能具有相同的贝蒂数。星偏差法是著名的点分布均匀性度量，它依赖于坐标轴的方向，能够准确识别和比较气泡群流动过程中的不同混合瞬态的均匀性，但对微结构无效。在过去的几年里，使用离散元方法来研究颗粒行为和监控混合均匀性的情况越来越多，主要是针对分批系统。实际上，这些不规则气泡群的混合均匀性不仅取决于粒子的数量和浓度，还与这些聚集体在反应器中的几何形状和空间位置有关。中心化偏差，可卷偏差方法，对试验点有更多的选择，均满足反射不变性,能分辨出典型的混合效率，但是为了确定气泡群的位置，增加了时间的复杂度。最近，Q法用于测量点集的全局分布，并且能够容忍偶然的接近点甚至重叠点。但是研究仅限于一个点集的均匀性，空间分布重点关注在颗粒与颗粒之间的关系，缺乏考虑整体空间分布情况。力矩平衡法为了减少对整体的误判程度，对整体进行分块取平均，分块可以减少误判的程度，但是不能从跟本上消除局部不均匀和整体不均匀的效应。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于计算几何学理论的多相混合均匀性的判断方法，能够有效的判断随机不规则气泡群的混合均匀性，严格考虑了气泡的空间分布，减少了时间的复杂度，并有效的减少局部不均匀和整体不均匀的误差。通过平均距离法得到每个实验工况下的混合时间,提供一种具有较高的应用价值的、简便可行的用于判断多相混合过程混合均匀性的新方法。

为实现上述目的，本发明提出一种基于计算几何学理论的多相混合均匀性的判断方法，具体包括以下步骤：

S1、利用高速摄像机对实时气泡群进行图像拍摄，得到实时气泡群图像；