本發(fā)明屬于兩相/多相流測量領(lǐng)域，特別涉及一種管道內(nèi)(外)液膜軸向流動參數(shù)的雙視角測量方法。

背景技術(shù)：

液膜廣泛存在于石油、化工、能源、冶金、核工業(yè)等國民經(jīng)濟重要的工業(yè)生產(chǎn)過程、系統(tǒng)和裝備中，是一種重要的流動形態(tài)。液膜關(guān)鍵流動參數(shù)，如液膜厚度、流速、波動狀態(tài)等的測量，是深入研究環(huán)狀流演化特性及流動機理的重要基礎(chǔ)，對提高傳熱傳質(zhì)效率、準確計量及提高能源利用等都具有非常重要的理論意義和實用價值。管道內(nèi)(外)沿管道軸向的液膜流動參數(shù)可以反映出液膜時空流動特性，是測量的關(guān)鍵參數(shù)之一。

由于平面激光誘導(dǎo)熒光(PLIF)方法具有非侵入、瞬時、場測量的突出優(yōu)勢，近些年來逐漸成為國內(nèi)外研究液膜的前沿和熱點。典型的基于LIF的液膜參數(shù)測量方法，是在流場中溶解具有特定分子結(jié)構(gòu)的熒光溶劑，片狀激光經(jīng)由管道垂直中心軸線照亮流場，采用單臺高速攝像機垂直于激光平面拍攝，實現(xiàn)單一視角的軸向液膜流動參數(shù)測量。由于單臺高速攝像機視場的限制，以及液膜測量空間分辨率的要求，單一視角測量對于液膜時空流動，尤其是非軸對稱液膜而言，缺失了很多必要的流動信息。而針對液膜軸向流動參數(shù)的雙視角測量，可以獲取更豐富的液膜流動形態(tài)和流動特征，對于深入認識液膜流動結(jié)構(gòu)、演化及傳熱傳質(zhì)特性具有非常重要的研究意義和應(yīng)用價值。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明旨在提出一種液膜軸向流動參數(shù)的雙視角測量方法，結(jié)合激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)，實現(xiàn)管道內(nèi)(外)軸向液膜雙視角流動信息的實時、同步獲取，以滿足不同情況下液膜豐富時空流動特征的測量、分析與研究需要。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，液膜軸向流動參數(shù)雙視角測量方法，步驟是：

1)調(diào)整片狀激光，使光平面通過圓形管道的垂直中心軸線并照亮流場，激發(fā)溶解有特定熒光溶劑的沿管道軸向的液膜產(chǎn)生熒光；

2)高速攝像機垂直于激光平面，并盡量使其光軸對準管道中心，在高速攝像機前放置兩組對稱光軸分布的反射鏡組，其折光分光光路形成兩臺互成角度的虛擬攝像機，以一定交匯角分別從兩側(cè)拍攝沿管道軸向的液膜雙視角圖像；

3)對左、右虛擬攝像機攝取的軸向液膜雙視角熒光圖像進行處理，包括灰度化、差影反色、閾值分割、形態(tài)學(xué)、畸變校正、圖像融合，準確提取液膜流動參數(shù)，并對其時空流動結(jié)構(gòu)和特性進行分析研究。

步驟2)進一步地，根據(jù)高速攝像機工作距以及測量需求的不同，分為以下三種情況：

(a)左虛擬攝像機拍攝管道左側(cè)的軸向液膜信息，右虛擬攝像機拍攝管道右側(cè)的軸向液膜信息；

(b)左、右虛擬攝像機同時拍攝管道左、右兩側(cè)的軸向液膜信息；

(c)左虛擬攝像機拍攝管道右側(cè)的軸向液膜信息，右虛擬攝像機拍攝管道左側(cè)的軸向液膜信息；

在實際拍攝中，根據(jù)管徑大小、工作距以及測量需求，優(yōu)化高速攝像機與反射鏡組結(jié)構(gòu)參數(shù)，調(diào)整如高速攝像機到管道的距離，兩側(cè)反射鏡組到中心光軸的水平距離或高速攝像機到中心反射鏡組的垂直距離，使其滿足上述條件之一的軸向液膜雙視角測量。

在滿足條件(b)時，左、右虛擬攝像機可以同時拍攝到管道兩側(cè)的軸向液膜，能夠獲取更多的液膜流動信息并進行信息的融合；條件(a)和(c)滿足不同管徑和工作距下軸向液膜雙視角測量的需要，通過結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)整，改變公共視場區(qū)域的位置和大小，進而滿足不同管道和測量環(huán)境的需求。

一個雙視角測量的公共視場實例中，R_max為可測最大管道半徑，β為攝像機像面對透視中心的張角，其公共視場寬度w為：

當(dāng)時，最大視場寬度w_max為：

此時可測最大管徑近似為：

由于虛擬攝像機到反射鏡組的垂直距離h₁為：

h₁＝h₂ cosθ+d sin 2(α-γ)

為了調(diào)整方便，可以不改變鏡組之間的角度關(guān)系，即保持中心反射鏡組與攝像機光軸之間的夾角α、虛擬攝像機光軸與高速攝像機光軸之間的夾角θ、以及兩側(cè)反射鏡與中心反射鏡組的夾角γ不變，增大兩側(cè)反射鏡組到中軸線的距離d，或增大中心反射鏡組到高速攝像機的垂直距離h₂，增大公共視場，進而增大公共視場內(nèi)雙視角測量的最大管徑，在測量傳感器底座上開設(shè)豎直及水平調(diào)整鍵槽，兩側(cè)的反射鏡組和高速攝像機均固定在鍵槽上，并根據(jù)需要調(diào)整到不同的位置。

本發(fā)明的特點及有益效果是：

本發(fā)明方法基于單臺高速攝像機實現(xiàn)液膜軸向流動參數(shù)的雙視角測量，既突破了傳統(tǒng)單攝像機PLIF方法僅能實現(xiàn)單視角測量的局限性，又避免了采用兩臺高速攝像機所帶來的嚴格同步問題，降低了成本。同時，本方法能夠根據(jù)管道尺寸以及實際需求對結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化調(diào)整，以適應(yīng)不同情況下軸向液膜流動參數(shù)測量的實際需要。

附圖說明：

圖1為液膜軸向流動參數(shù)的雙視角測量示意圖(以管道內(nèi)液膜為例)。

圖2為不同情況下液膜軸向流動參數(shù)的雙視角測量原理(以管道內(nèi)液膜為例)。

圖3為雙視角公共視場區(qū)域及可測的最大管道外徑示意圖。

圖4為裝置設(shè)計簡易說明圖。

具體實施方式

本發(fā)明適用于管道內(nèi)液膜軸向流動參數(shù)的雙視角測量，如氣液環(huán)(霧)狀流、管道內(nèi)降膜等液膜流動情況下軸向流動參數(shù)的雙視角測量，同樣也適用于管道外液膜流動情況下液膜軸向流動參數(shù)的雙視角測量。

針對液膜軸向流動參數(shù)雙視角測量，本發(fā)明在傳統(tǒng)平面激光誘導(dǎo)熒光(PLIF)技術(shù)基礎(chǔ)上，增加了兩組前表面反射鏡組實現(xiàn)光路的折光分光，在實體高速攝像機兩側(cè)形成兩臺互成角度的虛擬攝像機，對軸向液膜實現(xiàn)雙視角測量。根據(jù)不同管道尺寸和實際測量需求，可以對高速攝像機和反射鏡組結(jié)構(gòu)參數(shù)進行調(diào)整優(yōu)化，以適應(yīng)不同的軸向液膜雙視角流動參數(shù)的測量需要。

具體方法如下：

1)調(diào)整片狀激光，使光平面通過圓形管道的垂直中心軸線并照亮流場，激發(fā)溶解有特定熒光溶劑的沿管道軸向的液膜產(chǎn)生熒光。

2)高速攝像機垂直于激光平面，并盡量使其光軸對準管道中心，在高速攝像機前放置兩組對稱光軸分布的反射鏡組，其折光分光光路會形成兩臺互成角度的虛擬攝像機，以一定交匯角分別從兩側(cè)拍攝沿管道軸向的液膜雙視角圖像。根據(jù)高速攝像機工作距以及測量需求的不同，可以分為以下三種情況：

(a)左虛擬攝像機拍攝管道左側(cè)的軸向液膜信息，右虛擬攝像機拍攝管道右側(cè)的軸向液膜信息；

(b)左、右虛擬攝像機同時拍攝管道左、右兩側(cè)的軸向液膜信息；

(c)左虛擬攝像機拍攝管道右側(cè)的軸向液膜信息，右虛擬攝像機拍攝管道左側(cè)的軸向液膜信息。

注：在實際拍攝中，可以根據(jù)管徑大小、工作距以及測量需求，優(yōu)化高速攝像機與反射鏡組結(jié)構(gòu)參數(shù)，調(diào)整如高速攝像機到管道的距離，兩側(cè)反射鏡組到中心光軸的水平距離或高速攝像機到中心反射鏡組的垂直距離等，使其滿足上述條件之一的軸向液膜雙視角測量。

一般而言，在滿足條件(b)時，左、右虛擬攝像機可以同時拍攝到管道兩側(cè)的軸向液膜，能夠獲取更多的液膜流動信息并進行信息的融合，是較為理想的拍攝狀態(tài)。條件(a)和(c)可以滿足不同管徑和工作距下軸向液膜雙視角測量的需要，通過結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)整，可以改變公共視場區(qū)域的位置和大小，進而滿足不同管道和測量環(huán)境的需求。

3)對左、右虛擬攝像機攝取的軸向液膜雙視角熒光圖像進行處理，如灰度化、差影反色、閾值分割、形態(tài)學(xué)、畸變校正、圖像融合等，準確提取液膜流動參數(shù)，并對其時空流動結(jié)構(gòu)和特性進行分析研究。

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步的說明。

本發(fā)明提出一種新的液膜軸向流動參數(shù)雙視角測量方法，其獨特之處在于：基于單臺高速攝像機同時獲取沿管道軸向的液膜雙視角流動信息，與傳統(tǒng)的單攝像機PLIF方法(僅能實現(xiàn)單視角測量)相比具有明顯的優(yōu)越性，而相比采用兩臺高速攝像機實現(xiàn)雙視角測量的方法，又避免了采用兩臺高速攝像機所帶來的嚴格同步問題，降低了成本。同時，可以根據(jù)管道尺寸以及實際應(yīng)用對結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化調(diào)整，以適應(yīng)不同情況下流動參數(shù)測量的需要，在兩臺虛擬攝像機公共視場區(qū)域內(nèi)，可以實現(xiàn)雙視角軸向液膜圖像的信息融合。

圖1所示為液膜雙軸向流動參數(shù)的雙視角測量示意圖。由于被不同折射率的管道所包圍，針對管道內(nèi)液膜的測量更為復(fù)雜，因此以管道內(nèi)液膜流動為例。圖中圓形管道內(nèi)為被熒光劑(如羅丹明B)染色后的液膜，管道外為填充有折射率匹配液的矩形方槽，以降低圓形管道對液膜拍攝圖像產(chǎn)生的畸變影響。片狀激光平面通過圓形管道的垂直中心軸線并照亮流場，高速攝像機光軸通過管道中心并垂直于激光平面拍攝。結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化后的兩組反射鏡組，具體如圖2所示，經(jīng)由其折光分光光路，在高速攝像機兩側(cè)各形成一臺虛擬攝像機，以一定交匯角分別從兩個視角拍攝軸向液膜圖像。

圖2所示為不同情況下液膜軸向流動參數(shù)的雙視角測量原理。如圖中所示，在高速攝像機前構(gòu)建中心反射鏡組R_c及兩側(cè)反射鏡組R_sl、R_sc，對稱分布于攝像機光軸兩側(cè)，從而形成具有一定交匯角度的兩臺虛擬攝像機，分別從左、右兩個視角對軸向液膜進行同步拍攝。其中M₁N₁、M₂N₂、M₃N₃分別為被測管道在不同位置時被激光片照亮的管道內(nèi)徑，對應(yīng)于不同工作距下的實際情況，d為兩側(cè)反射鏡R_sl或R_sc到中軸線的距離，h₀為中心反射鏡組R_c到公共視場的最近距離，h₁為虛擬攝像機到反射鏡組的垂直距離，h₂為中心反射鏡組R_c到實體攝像機的垂直距離，h_m為中心反射鏡組R_c到最大公共視場區(qū)域的垂直距離，Δh為雙視角公共視場深度，α為中心反射鏡組R_c與攝像機光軸之間的夾角，γ為兩側(cè)反射鏡R_sl、R_sc與中心反射鏡組R_c的夾角，θ為虛擬攝像機光軸與高速攝像機光軸之間的夾角。

如圖2所示，針對不同的管徑及測量需求，高速攝像機分別對應(yīng)不同工作距下的三種測量情況。當(dāng)管道內(nèi)徑位于M₁N₁時，對應(yīng)第一種情況，即采用左虛擬攝像機拍攝管道左側(cè)的軸向液膜信息，右虛擬攝像機拍攝管道右側(cè)的軸向液膜信息；當(dāng)管道內(nèi)徑位于M₂N₂時，對應(yīng)第二種情況，即左、右虛擬攝像機均能夠同時拍攝管道左、右兩側(cè)的軸向液膜信息；當(dāng)管道直徑位于M₃N₃時，對應(yīng)第三種情況，即左虛擬攝像機拍攝管道右側(cè)的軸向液膜信息，右虛擬攝像機拍攝管道左側(cè)的軸向液膜信息。

在實際測量中，當(dāng)管道內(nèi)徑較小時可將其置于雙視角公共區(qū)域內(nèi)，如M₂N₂處，此時兩臺交匯的虛擬攝像機可以同時拍攝到雙側(cè)的軸向液膜流動信息，方便進行融合與對比分析。當(dāng)工作距較小時，如管道內(nèi)徑位于M₁N₁處，此時兩臺虛擬攝像機拍攝同側(cè)的軸向液膜信息，拍攝目標(biāo)距離相機較近，畫幅較大，可以從兩個視角清晰獲得較大管徑的液膜雙軸向流動信息。當(dāng)工作距較大時，如管道內(nèi)徑位于M₃N₃處，此時虛擬攝像機拍攝異側(cè)的液膜圖像，可對應(yīng)更大管徑液膜軸向參數(shù)的測量。以上三種情況中，當(dāng)管徑位于雙視角公共區(qū)域時能獲得更多的液膜流動信息，因此可以優(yōu)化調(diào)整高速攝像機及反射鏡組的結(jié)構(gòu)參數(shù)，使公共視場區(qū)域能夠適應(yīng)更大管徑范圍的軸向液膜參數(shù)測量。

圖3所示為雙視角測量的公共視場區(qū)域及可測最大管徑示意圖。其中R_max為可測最大管道半徑，β為攝像機像面對透視中心的張角，結(jié)合圖2中雙視角測量模型及光路，其公共視場寬度w為：

當(dāng)時，最大視場寬度w_max為：

此時可測最大管徑近似為：

由于虛擬攝像機到反射鏡組的垂直距離h₁為：

h₁＝h₂cosθ+dsin2(α-γ)

為了調(diào)整方便，可以不改變鏡組之間的角度關(guān)系，即保持中心反射鏡組與攝像機光軸之間的夾角α、虛擬攝像機光軸與高速攝像機光軸之間的夾角θ、以及兩側(cè)反射鏡與中心反射鏡組的夾角γ不變，增大兩側(cè)反射鏡組到中軸線的距離d，或增大中心反射鏡組到高速攝像機的垂直距離h₂，這樣可以增大公共視場，進而增大公共視場內(nèi)雙視角測量的最大管徑。調(diào)整示意圖如圖4所示，在測量傳感器底座上開設(shè)豎直及水平調(diào)整鍵槽，兩側(cè)的反射鏡組和高速攝像機均固定在鍵槽上，并可根據(jù)需要調(diào)整到不同的位置，無需另外加工裝置。

基于該方法可根據(jù)不同測量需要，攝取三種不同情況下軸向液膜的雙視角圖像，并通過灰度化、差影、反色、閾值分割、形態(tài)學(xué)、投影校正、融合等處理技術(shù)，提取液膜厚度、速度、波動等流動參數(shù)，為進一步研究液膜時空流動結(jié)構(gòu)和流動特性提供準確定量的豐富流動信息，并為深入分析液膜演化特性及流動機理奠定堅實的基礎(chǔ)。