本發明涉及兩相/多相流測量領域，特別涉及一種基于激光誘導熒光(PLIF)技術的液膜溫度場和流場同時測量方法。

背景技術：

液膜由于其高效的傳熱傳質特性，在化工、電子冷卻、海水淡化等方面具有廣泛的應用，其溫度場和流場信息對于研究液膜傳熱性能和流動狀態至關重要。如降膜蒸發器作為一種高效的蒸發設備，其原理是利用了管內豎直降膜的高效蒸發傳熱性質，其中蒸發傳熱計算對于降膜蒸發器設計、工藝流程改善以及設備評價等都具有重要的作用，而液膜厚度等流場信息以及液膜側溫度場的傳熱系數是必不可少的參數條件。

針對液膜溫度場的測量，主要有接觸式和非接觸式兩種。接觸式方法，如廣泛采用的熱電偶、熱電阻等僅能實現點測量，且對流場和溫度場會產生干擾。非接觸式測溫方法如輻射式、光譜式、激光干涉式等可以實現非侵入測量，獲取一定區域內的溫度場分布，動態響應快，但也存在一定問題，如針對管道內液膜，紅外熱成像(屬于輻射式測溫)容易受到管道表面溫度的干擾，難以準確獲取液膜溫度場分布。針對液膜流場測量，目前主要有電學、光學、超聲等測量手段。其中電導探針只能探測器附近的信號，且具有平均效應，在液膜厚度較大時，信號靈敏度會降低，即使采用多電導電極陣列也難以獲得足夠高的時空分辨率，超聲測量對于超聲波的發射頻率和信噪比要求較高，且針對平板上流動的液膜更有效，極大地限制了其應用范圍。因此，如何實現液膜溫度場和流場的高時空分辨率、非侵入“場”測量，甚至實現液膜溫度場和流場的同時測量具有非常重要的研究意義和應用價值。

技術實現要素：

為克服現有技術的不足，本發明旨在提出一種基于平面激光誘導熒光(LIF)技術的液膜溫度場和流場同時測量方法，可以非侵入、高精度地同步獲取管道內(外)液膜的流動參數以及溫度場分布，用于液膜流動特性及傳熱傳質特性等的深入研究。本發明采用的技術方案是，基于激光誘導熒光的液膜溫度場和流場同時測量方法，當溶解有熒光染色劑的液膜在管道內/外壁或平板上形成動態液膜時，通過高速相機攝取液膜熒光圖像，針對攝取的同一幅熒光圖像，基于高速相機標定參數，準確提取液膜熒光圖像幾何特征，獲取包括液膜厚度、波速的流場特征；同時，基于標定過的溫度-熒光強度標定曲線、激光強度校準以及熒光強度提取方法，準確提取液液膜熒光圖像亮度，獲取液膜瞬時及時均溫度場分布。

一個實例中進一步地具體步驟如下：

一、對高速相機進行標定，獲取相機內參矩陣，以得到圖像像素與空間距離之間的準確對應關系，用于包括液膜厚度、波速在內的流場特征的測量；

二、對液膜溫度場進行標定，通過高速相機獲取不同已知溫度下液膜的熒光圖像，通過圖像處理和最小二乘線性擬合獲取液膜溫度——熒光強度線性關系；

三、調整高速相機工作距，通過濾光片濾除激發光，攝取液膜熒光圖像，并進行包括灰度化、差影、濾波的圖像預處理；

四、液膜流動特征測量

(1)將預處理后的液膜熒光圖像進行閾值分割，分離出液膜有效二值區域；

(2)基于高速相機高精度標定參數，求取液膜流動方向上的液膜厚度特征；

(3)基于攝取的液膜時空序列圖像，求解液膜流動參數的時空統計特征，并基于互相關技術，獲得波速、波頻等液膜波動特征及流動參數。

五、液膜溫度的獲取

(1)對液膜流動方向及激光傳播方向上的激光光強進行補償校正；

(2)基于預處理后的液膜熒光圖像以及灰度優選平均法，提取測試窗口中的液膜熒光強度；

(3)基于標定的液膜溫度——熒光強度關系，獲取液膜瞬時與時均溫度場分布。

本發明的特點及有益效果是：

本發明基于平面激光誘導熒光(PLIF)技術，實現了對液膜溫度場和流場的同時測量。與傳統測量方式相比，該發明不僅可以非侵入地獲取一定視場內的“場”流動特征以及溫度場分布，具有很好的時空分辨率，而且通過攝取的同一幅熒光圖像，可以同步提取出流場及溫度場參數，準確度高，對于分析液膜流動特性及傳熱性質特性等具有不可比擬的優勢。

附圖說明：

圖1為基于PLIF的液膜溫度場和流場測量原理(以管道內液膜為例)。

圖2為基于PLIF的液膜溫度場和流場參數測量流程圖。

圖3為實際拍攝得到的液膜熒光圖像(灰度化后)及溫度場分布圖。

具體實施方式

本發明適用于管道內液膜的溫度場和流場同時測量，同樣也適用于管道外，水平及傾斜平板液膜流的溫度場和流場同時測量。

平面激光誘導熒光(PLIF)技術由于其非侵入、高時空分辨率、場測量的突出優勢，目前成為分析液膜及夾帶等的前沿技術及熱點，但一般僅用于獲取流動參數和流動結構。本發明基于平面激光誘導熒光技術(PLIF)，實現液膜溫度場和流場的同時測量。將熒光劑羅丹明B溶解于液膜中，采用532nm的激光垂于管道中心軸線照亮流場，加有濾光片的高速相機垂直于激光平面攝取液膜熒光圖像，通過一系列預處理去除噪聲并對液膜熒光圖像進行增強。針對攝取的同一幅熒光圖像，基于圖像處理及高速相機標定參數，獲取液膜厚度、波速等流場特征，同時，基于激光強度校準及溫度-熒光強度標定曲線，提取液膜熒光強度并獲取瞬時及時均溫度場分布。

具體方法如下：

1、對高速相機進行標定，獲取相機內參矩陣，以得到圖像像素與空間距離之間的準確對應關系，用于液膜厚度、波速等流場特征的高精度測量；

2、對液膜溫度場進行標定，通過高速相機獲取不同已知溫度下液膜的熒光圖像，通過圖像處理和最小二乘線性擬合獲取液膜溫度——熒光強度線性關系；

3、調整高速相機工作距，通過濾光片濾除激發光，攝取液膜熒光圖像，并進行灰度化、差影、濾波等一系列圖像預處理；

4、液膜流動特征測量

(1)將預處理后的液膜熒光圖像進行閾值分割，分離出液膜有效二值區域；

(2)基于高速相機高精度標定參數，求取液膜流動方向上的液膜厚度特征；

(3)基于攝取的液膜時空序列圖像，求解液膜流動參數的時空統計特征，并基于互相關技術，獲得波速、波頻等液膜波動特征及流動參數。

5、液膜溫度的獲取

(1)對液膜流動方向及激光傳播方向上的激光光強進行補償校正；

(2)基于預處理后的液膜熒光圖像以及灰度優選平均法，提取測試窗口中的液膜熒光強度；

(3)基于標定的液膜溫度——熒光強度關系，獲取液膜瞬時與時均溫度場分布；

下面結合附圖對本發明做進一步的說明。

本發明提出了一種基于平面激光誘導熒光(PLIF)技術的液膜溫度場和流場同時測量方法。其獨特之處在于：采用激光誘導熒光及后續處理方法，不僅可以實現液膜厚度、波速等流場特征的高精度測量，而且可以同時獲取液膜溫度場分布及傳熱系數等，實現液膜溫度場和流場的同時測量。

圖1所示為基于PLIF的液膜溫度場和流場測量原理。測量系統主要由管道、激光器、高速相機、濾光片、計算機及處理軟件等組成。以管道內流動液膜為例，管道內流動液膜溶解有熒光劑羅丹明B，激光波長為532nm，其光平面通過圓形管道的垂直中心軸線照亮流場，高速相機光軸垂直于激光平面拍攝，在高速相機前裝有截止頻率為570nm的濾光片以濾除雜光，有效提取液膜熒光圖像特征。由于羅丹明B熒光試劑的溫度敏感系數約為2％-3％/℃，對溫度變化非常敏感，且吸收光譜和發射光譜具有明顯的不重疊區域，通過同時辨識濾除了激發光的液膜熒光圖像幾何形態與亮度特征，可以實現液膜溫度場分布及液膜厚度、波速等流場特征的高精度、同步測量。

具體測量流程如圖2所示。

對液膜溫度場和流場特征進行測量前，首先對高速相機進行標定，并獲取液膜的溫度—熒光強度曲線用以標定溫度場。其中高速相機標定是為了獲取相機的內參矩陣，得到圖像像素與空間距離之間的準確對應關系，以高精度獲取液膜的流場特征。液膜溫度場標定是為了獲取液膜溫度與熒光強度之間的準確對應關系，即當溶解有羅丹明B的液膜在管道內(外)壁或平板上形成動態液膜時，通過高速相機攝取不同溫度下的液膜熒光圖像，基于圖像灰度分析可得到此時的熒光強度，統計分析溫度和熒光強度的對應數據，并通過最小二乘擬合得到液膜的溫度——熒光強度關系圖。

調整高速相機工作距離，攝取液膜熒光圖像及無液膜時的背景圖像，并對圖像進行預處理，包括灰度化、差影、濾波等，其中差影主要用于去除背景干擾信號，基于中值濾波或小波等濾波方法增強液膜特征區域。

在液膜圖像預處理基礎上，一方面，基于液膜區域特征進行閾值分割，分離出液膜有效區域，并根據相機高精度標定參數，求取液膜厚度特征等，進而求解出液膜統計特征及波速等流動參數。

另一方面，基于二維平面激光校準及熒光強度提取方法，獲取液膜溫度場分布。由于激光片強度在液膜流動方向上存在不均，在激光傳播方向上因為溶液的吸收作用會減弱，首先需要對激光強度進行校準。根據標準高、低溫液膜熒光圖像，待測溫度場圖像及標定出的溫度——熒光強度關系，計算出不同位置處熒光強度的補償系數。然后，基于灰度優選平均法，即根據測試窗口擇優選取有效灰度區域并進行灰度平均，提取液膜熒光強度。最后，根據標定出的溫度——熒光強度關系，獲取液膜瞬時及時均溫度場分布。

圖3所示為實際拍攝的液膜熒光圖像(灰度化后)及液膜溫度場分布，根據上述方法，可獲得該測量視場中液膜厚度等流場特征，同時可以獲取該測試窗口中液膜溫度場的分布，為可視化地揭示液膜傳熱傳質特性奠定了堅實的基礎。