图像处理技术在低浓度气固两相流测量中的应用

    0　引言

    气固两相流动普遍存在于工业生产过程中,如煤粉燃烧、气固分离装置、流化床等等,自然界的沙尘暴、宇宙尘埃也属气固两相范畴。然而气固两相流动十分复杂,参数众多,目前还没有哪一个理论模型能完整地阐述其流动变化规律,实验成了研究气固两相流动规律的主要手段之一。但迄今为止仍没有一种较为理想的气固两相流动的测量技术,包括超声颗粒测量技术、光散射颗粒测量技术和传统的侵入式测量技术。近来随着数码技术的飞速发展,图像测量法由于具有直观可见、测量精度高的特点,又是非接触测量,成为颗粒测量的一种重要方法[1]。

    作者利用颗粒图像测量方法,在气固分离装置实验台上,使用FASTCAM-ultima APX高速相机系统对图像数据进行采集,结合Matlab图像处理技术得到管道内粒子的运动图像,进而分析了某时刻二维截面上固体颗粒的粒度分布,并且跟踪某个粒子的运动轨迹,得出不同粒子在管道内的运动规律。

    1　实验装置及工况

    气固分离装置如图1所示,主要由6部分组成:矩形截面的分叉实验段、2个离心风机、集流器段、稳流段、粒子加入装置和高速相机。其中分叉实验段为惯性气固分离装置,颗粒在管道的收缩段内随空气的加速而加速运动,依靠其惯性在分叉处被甩入引流段1中(清除流道),而大部分的空气由于引流段2(主流道)的负压将流入引流段中,通过此方法来达到分离固体颗粒的目的。2个变频仪调节2个离心风机的转速来改变实验条件,实验在表1所示的三种工况下进行。实验固体颗粒为不同粒径的沙石、小米和玉米渣。

    为了方便后期的图像处理工作,也为了减小背景噪音的影响,在使用高速相机时,需要解决一些光学测量问题,如照明光源技术和增强粒子图像与背景的对比度。光源采用功率为1kW且有一定聚光能力的舞台灯。为了防止背景壁面的有机玻璃对灯光的反射而带来的背景噪音,采用了二种方法解决:1)背景有机玻璃上贴上具有一定吸光能力的黑纸来减弱壁面的反光;2)在光源入射方向的有机玻璃上贴上开有矩形(624mm×30mm)孔的黑纸,最大可能地减弱非拍摄平面的噪音,并且所有实验在黑暗的室内进行[2]。

    2　实验数据的采集、处理与分析

    图像在相机拍摄频率2000帧/s、焦距65cm、光圈4·6、快门频率6000帧/s的条件下进行采集,从连续采集的1000幅粒子图像中选出6幅等时间间隔(Δt=0·05s)的粒子图像,原始图像为24位真彩色(RGB)格式,利用MATLAB工具将其转换为灰度图像,再由灰度直方图选择合适的增强图像对比度的方法,这样粒子图像与背景的对比度更大,有利于在图像分割中将粒子从背景中分离出来,并且对粒子大小的识别精度也有所提高[3-4]。为了定量的计算粒径,要对拍摄平面的物理空间进行标定,标定在相机拍摄频率为60帧/s,CCD像素大小为1024×1024,对应的空间长度为16·1cm,所以相机每个像素对应的实际空间的大小为15·723μm。颗粒统计测量的实现以拍摄窗口2上工况2来说明,图2是经过处理后的6幅等时间间隔(Δt=0·05s)的沙粒图像。