專利名稱：一種液體橫向射流振蕩邊界的獲取方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學測量技術(shù)和圖像處理領(lǐng)域，特別是涉及一種基于高速攝影的不穩(wěn) 定流場中液體橫向射流最劇烈振蕩邊界的獲取方法。
背景技術(shù)：
在以液體燃料為推進劑的發(fā)動機中，液體橫向射流的噴注和霧化是一個非常重要 的過程。在研究橫向射流的噴注和霧化特性時，射流的邊界信息是一個很重要的測量參數(shù)， 它影響了液體橫向射流的霧化程度以及射流與氣流的摻混程度，并決定了液體橫向射流主 流的擴展范圍。對于液體橫向射流邊界的研究，以往通常采用的方法有roPA法、片光法、 高速攝影法、陰影法、紋影法等并結(jié)合相應的圖像處理技術(shù)，以獲取各方法所對應的射流邊 界信息。
PDPA法采用定點測量的方式，能夠獲得射流破碎形成的液滴的當?shù)伢w積流率， 并根據(jù)不同的射流邊界的定義獲得射流的外圍邊界。文獻“Lin K C, Kennedy P J， Jackson TA. Structures of water jets in a Mach1.94supersonic crossflow. 2004, AIAA-2004-971，，和 “Wu P K, Kirkendall K A, Fuller R P, et al. Spray structure of liquid j ets atomized in subsonic crossflow[J]· Journal of Propulsion and Power, 1998，14 (2) ; 173-182 ”對氣流中射流外圍邊界點的定義為射流的體積流率為0. 01cc/ (s · cm2)或0. 02cc/ (s · cm2)的點,兩者對于液霧外圍的定義不太相同；同時F1DPA方法米 取的是對流場中的單點進行測量，其效率較低、難以一次性獲得整個流場的射流邊界信息。
對于片光法以及相應的圖像處理技術(shù)，文獻“Chaouki Ghenai, Hayri Sapmaz, Cheng-Xian Lin. Penetration height correlation for non—aerated and aerated transverse liquid jets in supersonic cross flow,Exp Fluids,2009,49 :121-129，，結(jié) 合Canny方法對采用片光法得到的數(shù)字圖像進行處理，得到了射流的邊界。但是其得到的 邊界只是圖像處理意義上的邊界，無明確的物理意義；同時其在Canny方法中灰度梯度閾 值的選取對結(jié)果影響較大，不同的閾值所得射流邊界相差較大，數(shù)字圖像處理過程中人為 因素較大，所得結(jié)果并不唯一。
高速攝影法、陰影法和紋影法都能獲得射流主流的大致輪廓，文獻“賴林.帶空腔 超燃發(fā)動機燃燒室內(nèi)流場試驗和仿真研究[D].長沙國防科學技術(shù)大學.2003”指出采用 相同的測量方法運用不同的數(shù)字圖像處理技術(shù)，得到的結(jié)果不盡相同。以往對基于高速攝 影所得結(jié)果的圖像處理技術(shù)而得到的射流邊界信息，都是圖像處理上的邊界，物理意義不 明確，且處理過程中人為因素較大，不能得到唯一定量化的結(jié)果。
文獻“J. Beloki Perurena, C. 0. Asma, R. Theunissen, 0. Chazot. Experimental investigation of liquid jet injection into Mach 6 hypersonic crossflow. Exp Fluids, 2009,46 :4. 3-417”提出了一種基于高速攝影所得圖像的灰度概率的確定射流邊界 大致位置的方法，但是其未得到定量化的結(jié)果，只是描述了射流邊界的大致位置。
總的來看，目前對于超聲速氣流中液體射流穿透深度的定義及獲取方法較多，但是有些方法相對應的數(shù)字圖像處理方法主要測量射流最外圍邊界，有的結(jié)果的物理意義不太明確，圖像處理過程中人為因素較大，不能唯一的得到定量化的結(jié)果。對于超聲速氣流中液體射流邊界急需一種能唯一確定的、快速的、定量化的、物理意義明確的邊界獲取方法。發(fā)明內(nèi)容
針對上述現(xiàn)狀，本發(fā)明的目的是提供一種液體橫向射流振蕩邊界的獲取方法，基于高速攝影法、圖像處理技術(shù)以及數(shù)理統(tǒng)計方法，通過測量氣流中液液體射流最劇烈振蕩邊界，獲取液體射流的邊界。測量方法不涉及人為因素，測量結(jié)果客觀、定量、唯一。
本發(fā)明一種液體橫向射流振蕩邊界的獲取方法，包括以下步驟
(一 )、利用高速攝影方法首先獲得觀測平面內(nèi)的標尺，然后對氣體流場中的液體射流進行拍攝，獲取射流在流場中的一組連續(xù)的數(shù)字圖像結(jié)果；
(二)、統(tǒng)計N幅圖像中各采集線上圖像灰度值；
以射流噴注點為原點，以氣流速度方向為X軸正方向，以射流噴注方向為y軸正方向，以原點為起點、X軸的正方向、以k像素距離為步長，作為一個采集線，統(tǒng)計并獲取該線上所有像素點所對應的灰度值；
(三)、獲取各像素點對應灰度的概率分布及各像素點灰度的概率最大值；
統(tǒng)計N幅圖像中各灰度出現(xiàn)的次數(shù)n_p并獲取概率f_p = n_p/N,其中p表示某灰度值，比較并獲取該點所有灰度值對應的概率最大值即fmax = max(f_p)；
(四)、獲取振蕩最劇烈的邊界點；
獲取采集線上所有像素點對應的灰度概率的最大值，得到采集線上對應的fmax_y 關(guān)系圖像，其最低點為振蕩最劇烈的邊界點。
(五)、查找所有采集線上的液體橫向射流振蕩最劇烈的邊界點；
(六)、將所有采集線上的振蕩最劇烈的邊界點連接起來，獲取射流的邊界線，根據(jù)步驟一所測量的標尺，得到物理邊界線。
由于本發(fā)明采用高速攝影對整個流場進行觀測，故本發(fā)明比roPA的單點測量法更加簡單、快捷；同時由于本發(fā)明中圖像處理方法無人為選取閾值的步驟，故相對于高速攝影法、陰影法、紋影法所得到的結(jié)果人為因素影響較小，能獲得唯一、客觀、定量的結(jié)果 ’另外本發(fā)明結(jié)合了射流的振蕩特性，較其他高速攝影法、陰影法、紋影法和片光法中的圖像處理方法物理意義更加明確。


構(gòu)成本申請的一部分附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，本發(fā)明的示意性實例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當限定。在附圖中
圖1 :本發(fā)明流 程圖
圖2 :本發(fā)明高速攝影系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
圖3 圖像分析坐標系、觀測線及觀測點
圖4 觀測點灰度-概率圖
圖5 :觀測線位置-灰度最大概率圖
圖6:圖像處理結(jié)果具體實施方式
本發(fā)明一種液體橫向射流振蕩邊界的獲取方法，參照圖1，具體包括以下步驟
(一 )、利用高速攝影方法首先獲得觀測平面內(nèi)的標尺，然后對氣體流場中的液體射流進行拍攝，獲取射流在流場中的一組連續(xù)的數(shù)字圖像結(jié)果；
參見附圖2，將穩(wěn)定的光源I布置在試驗段射流7的一側(cè)，另一側(cè)布置高速攝影儀 5，光源I中心位置、射流4中心位置、高速攝影相機5的鏡頭中心位置位于同一垂直高度上。接著進行高速攝影相機5的對焦，使相機5的焦平面2與氣流3方向以及液體射流4 方向平行，相機5的焦平面2位于射流噴孔中心并與光源I平面平行。調(diào)節(jié)光源I強度，減小高速攝影相機5的曝光時間、提高拍攝幀速并放大拍攝區(qū)域2，保證得到清晰的圖像并滿足拍攝幀速的要求。然后，在相機焦平面2內(nèi)放置標尺，拍攝并保存標尺信息。相機和光源調(diào)節(jié)完成后，保持相機和光源強度不變，在流場中通入氣體3和液體橫向射流4，射流4通過氣流3的作用發(fā)生彎曲、破碎并霧化形成小液滴，利用高速攝影儀對射流4及液滴進行高速攝影拍攝，獲取射流在流場中的一組連續(xù)的數(shù)字圖像結(jié)果。( 二)、統(tǒng)計N幅圖像中各采集線上圖像灰度值；
如圖3所示，本實施例以射流噴注點為原點，以氣流速度方向為X軸正方向，以射流噴注方向為I軸正方向，以原點為起點、沿X軸的正方向、以每10個像素距離為步長，作為一個采集線，統(tǒng)計并獲取該線上所有像素點所對應的灰度值。圖3中的采集線為第30個步長的采集線。N為射流噴注時高速攝影拍攝圖像的張數(shù)，N越大越好,但N會影響高速攝影拍攝的清晰度。
(三)、獲取各像素點對應灰度的概率分布及各像素點灰度的概率最大值；
參見圖3所示,例如取X = 300的直線上點(300,100)作為分析點，由于射流的振蕩和流場的振蕩，在N幅圖像中像素點(300，100)對應的灰度值會不斷變化，統(tǒng)計各灰度出現(xiàn)的次數(shù)n_p (其中P表示某灰度值)并獲取此灰度對應的概率f_p = n_p/N,例如像素點 (300，100)對應灰度值為30的概率f_30 = n_30/N ;參見圖4，獲取該點所有灰度值(p = O 255)對應的概率，并求取所有灰度對應概率中的最大值即fmax = max(f_p)。
(四)、獲取振蕩最劇烈的邊界點；
按照步驟三中的方法，參見圖5，獲取X = 300直線上所有像素點對應的灰度概率的最大值，即可得到X = 300直線上對應的fmax-y關(guān)系圖像，確定fmax_y圖像中的最低點，即 fmax最小的點；由于射流振蕩最劇烈的邊界點處對應像素點灰度值離散度最大，各灰度值出現(xiàn)的概率都較小，故fmax值最小的點即為射流在X = 300位置處振蕩最劇烈的邊界點。
(五)、查找所有采集線上的振蕩最劇烈的邊界點；
按照步驟三和四的方法查找圖像中所有X = 10m(m = 1,2,3……)直線上射流振蕩最劇烈的邊界點，所得結(jié)果即獲取的射流的振蕩邊界。
(六)、將所有采集線上的振蕩最劇烈的邊界點連接起來，獲取射流的邊界線，根據(jù)步驟一所測量的標尺，得到物理邊界線。
參見圖6，將步驟(五)中獲得的離散邊界點相連，結(jié)合(一)中所得的標尺，將像素距離轉(zhuǎn)換為實際物理空間距離，從而獲取射流的邊界線。
各種舉例說明不對發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容構(gòu)成限制，所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在閱讀了說明書后 可以對以前所述的具體實施方式
作修改或變形，不背離發(fā)明的實質(zhì)和范圍。
權(quán)利要求
1. 一種液體橫向射流振蕩邊界的獲取方法，包括以下步驟(一)、利用高速攝影方法首先獲得觀測平面內(nèi)的標尺，然后對氣體流場中的液體射流進行拍攝，獲取射流在流場中的一組連續(xù)的數(shù)字圖像結(jié)果；(二)、統(tǒng)計N幅圖像中各采集線上圖像灰度值；以射流噴注點為原點，以氣流速度方向為X軸正方向，以射流噴注方向為I軸正方向， 以原點為起點、沿X軸的正方向、以每k個像素距離為步長，作為一個采集線，統(tǒng)計并獲取N 幅圖像中該線上所有像素點所對應的灰度值；(三)、獲取各像素點對應灰度的概率分布及各像素點灰度的概率最大值；統(tǒng)計N幅圖像中各灰度出現(xiàn)的次數(shù)n_p并獲取概f_p = n_p/N,其中p表示某個灰度值，比較并獲取該點所有灰度值對應的概率最大值即fmax = max(f_p)；(四)、獲取振蕩最劇烈的邊界點；獲取采集線上所有像素點對應的灰度概率的最大值，得到采集線上對應的fmax_y關(guān)系圖像，其最低點為振蕩最劇烈的邊界點；(五)、查找所有采集線上的振蕩最劇烈的邊界點；(六)、將所有采集線上的振蕩最劇烈的邊界點連接起來，獲取射流的邊界線，根據(jù)步驟一所測量的標尺，得到物理邊界線。
全文摘要
本發(fā)明一種液體橫向射流振蕩邊界的獲取方法，包括以下步驟(一)利用高速攝影方法獲得觀測平面內(nèi)的標尺，對氣體流場中的液體射流進行拍攝，獲取射流在流場中的一組連續(xù)的數(shù)字圖像結(jié)果；(二)統(tǒng)計N幅圖像中各采集線上像素點灰度值；(三)獲取各像素點對應灰度的概率分布及各像素點灰度的概率最大值；(四)獲取采集線上振蕩最劇烈的邊界點；(五)查找所有采集線上振蕩最劇烈的邊界點；(六)將所有采集線上的振蕩最劇烈的邊界點連接起來，獲取射流的邊界線；根據(jù)步驟一所測量的標尺，得到物理邊界線。本發(fā)明通過測量氣流中液液體射流最劇烈振蕩邊界，獲取液體射流的邊界。測量方法不涉及人為因素，測量結(jié)果客觀、定量、唯一。
文檔編號G01B11/00GK103033133SQ20121059566
公開日2013年4月10日 申請日期2012年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月31日
發(fā)明者仝毅恒, 李清廉, 李春, 吳里銀, 吳海燕 申請人:中國人民解放軍國防科學技術(shù)大學