Yang's Research Group

首页标题    研究方向    图像测量方法及应用
轨迹图像法测量原理

图像测量方法及应用

图像法利用激光或普通LED光源照明测量区,在相机中直接成像或背光成像获得颗粒图像,通过对颗粒图像处理分析,统计得到颗粒粒径、运动速度等参数,实现静态颗粒、多相流或流场测量,主要应用于喷雾液滴、汽轮机湿蒸汽与粉体气相输运等参数测量。

    图像法利用激光或普通LED光源照明测量区,在相机中直接成像或背光成像获得颗粒图像,通过对颗粒图像处理分析,统计得到颗粒粒径、运动速度等参数,实现静态颗粒、多相流或流场测量,具有结果直观可靠等优势。研究组在图像法研究上主要利用轨迹图像法开展喷雾液滴、汽轮机湿蒸汽与粉体气相输运等参数测量。主要研究包括:

    (1)喷雾液滴测量

    雾化是液体通过喷嘴喷射,克服自身表面张力、分散破碎形成小液滴的过程,广泛应用于化学工程、农业灌溉、植物保护、工业防尘、医疗器械、发动机燃烧等领域。液体雾化质量直接关系到相关设备的工作性能,通常评价雾化性能及质量的主要指标有:雾化角、雾化细度及均匀度、雾化液滴运动速度等参数。准确测量喷嘴雾化参数对设备结构参数优化及性能评估都有重要意义。针对喷嘴雾化多参数同步测量问题,研究组提出基于图像处理的喷嘴雾化角、雾化细度、液滴运动速度及分布参数测量方法,建立用于雾化多参数同步测量的轨迹图像处理算法,利用背光阴影成像技术搭建喷嘴雾化参数测量装置,并开展典型扇形喷嘴不同工况下雾化参数同步测量实验研究。

    (2)汽轮机湿蒸汽二次水滴测量

    汽轮机中的湿蒸汽流动机理极其复杂,如相变过程、水相形态和结构演变、水蚀过程等互相影响,互相渗透。在湿蒸汽流动机理研究中,减少湿汽损失、降低水蚀破坏性问题都与水相形态和结构随流动过程演变息息相关。湿蒸汽中的水滴依其产生机理不同可分为两类:一类是自发凝结和有核凝结生成的一次水滴,其直径从纳米级到2-3μm,流动速度可达300m/s以上,数量浓度达到106-108/cm3,是湿蒸汽中所含水滴的主要部分,占全部蒸汽湿度的90%以上;另一类是一次水滴沉积在喷嘴、叶片或汽缸壁面上形成的水膜破碎产生的二次水滴,其直径较大,惯性也大,是造成叶片水蚀的主要原因。二次水滴的形成与演变机理一直以来都是湿蒸汽研究的重要内容之一。图像法测量原理是建立在几何光学的基础上,并结合成像器件来实现。研究组利用图像法设计湿蒸汽测量系统,开展低压汽轮机末级湿蒸汽二次水滴进行测量,获得了大量的二次水滴图像,对图像进行处理统计分析得到二次水滴粒径、体积浓度与运动速度等参数及其沿叶高的分布,为叶片水蚀规律和防水蚀措施研究提供数据支撑。

    (3)跨微米尺度混合颗粒粒径同步测量(图像法与多波长消光法结合)

    跨微米尺度混合颗粒是指从100nm~100μm粒径范围数个颗粒尺寸量级同时存在的颗粒群,广泛存在于化工生产、环境科学、生物医学、材料制备等领域。由于亚微米-十微米尺度颗粒与十微米以上尺度颗粒的光散射特性完全不同,目前跨微米尺度混合颗粒粒径测量方法主要有:将跨微米尺度混合颗粒进行粒径分级后采用光学颗粒计数对颗粒进行统计获得其粒径分布;采用大角度光散射测量拓宽颗粒粒径测量范围;多方法组合测量衔接颗粒粒径测量范围。其中,多方法组合测量发挥各方法在相应测量范围优势而被广泛关注。研究组针对跨微米尺度混合颗粒粒径测量问题,融合多波长消光法和图像法颗粒测量原理,提出了跨微米尺度混合颗粒粒径同步测量方法,建立了亚微米-十微米尺度颗粒粒径消光光谱反演算法及十微米以上尺度颗粒粒径图像处理算法,搭建了采用分光棱镜的消光光谱与背光图像同步测量装置,实现了跨微米尺度混合颗粒粒径同步测量。

    该研究方向成果发表在《Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: Journal of Power and Energy》、《光学学报》等学术期刊上。