本發(fā)明屬于兩相/多相流測(cè)量領(lǐng)域，特別涉及一種管道內(nèi)(外)液膜軸向流動(dòng)參數(shù)的雙視角測(cè)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(guó)民經(jīng)濟(jì)重要的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程、系統(tǒng)和裝備中，是一種重要的流動(dòng)形態(tài)。液膜關(guān)鍵流動(dòng)參數(shù)，如液膜厚度、流速、波動(dòng)狀態(tài)等的測(cè)量，是深入研究環(huán)狀流演化特性及流動(dòng)機(jī)理的重要基礎(chǔ)，對(duì)提高傳熱傳質(zhì)效率、準(zhǔn)確計(jì)量及提高能源利用等都具有非常重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。管道內(nèi)(外)沿管道軸向的液膜流動(dòng)參數(shù)可以反映出液膜時(shí)空流動(dòng)特性，是測(cè)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(shí)、場(chǎng)測(cè)量的突出優(yōu)勢(shì)，近些年來(lái)逐漸成為國(guó)內(nèi)外研究液膜的前沿和熱點(diǎn)。典型的基于LIF的液膜參數(shù)測(cè)量方法，是在流場(chǎng)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(chǎng)，采用單臺(tái)高速攝像機(jī)垂直于激光平面拍攝，實(shí)現(xiàn)單一視角的軸向液膜流動(dòng)參數(shù)測(cè)量。由于單臺(tái)高速攝像機(jī)視場(chǎng)的限制，以及液膜測(cè)量空間分辨率的要求，單一視角測(cè)量對(duì)于液膜時(shí)空流動(dòng)，尤其是非軸對(duì)稱液膜而言，缺失了很多必要的流動(dòng)信息。而針對(duì)液膜軸向流動(dòng)參數(shù)的雙視角測(cè)量，可以獲取更豐富的液膜流動(dòng)形態(tài)和流動(dòng)特征，對(duì)于深入認(rèn)識(shí)液膜流動(dòng)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(jià)值。

技術(shù)實(shí)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(dòng)參數(shù)的雙視角測(cè)量方法，結(jié)合激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)，實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)(外)軸向液膜雙視角流動(dòng)信息的實(shí)時(shí)、同步獲取，以滿足不同情況下液膜豐富時(shí)空流動(dòng)特征的測(cè)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(dòng)參數(shù)雙視角測(cè)量方法，步驟是：

1)調(diào)整片狀激光，使光平面通過(guò)圓形管道的垂直中心軸線并照亮流場(chǎng)，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(jī)垂直于激光平面，并盡量使其光軸對(duì)準(zhǔn)管道中心，在高速攝像機(jī)前放置兩組對(duì)稱光軸分布的反射鏡組，其折光分光光路形成兩臺(tái)互成角度的虛擬攝像機(jī)，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(duì)左、右虛擬攝像機(jī)攝取的軸向液膜雙視角熒光圖像進(jìn)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(zhǔn)確提取液膜流動(dòng)參數(shù)，并對(duì)其時(shí)空流動(dòng)結(jié)構(gòu)和特性進(jìn)行分析研究。

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

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

(b)左、右虛擬攝像機(jī)同時(shí)拍攝管道左、右兩側(cè)的軸向液膜信息；

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

在實(shí)際拍攝中，根據(jù)管徑大小、工作距以及測(cè)量需求，優(yōu)化高速攝像機(jī)與反射鏡組結(jié)構(gòu)參數(shù)，調(diào)整如高速攝像機(jī)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(jī)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(cè)量。

在滿足條件(b)時(shí)，左、右虛擬攝像機(jī)可以同時(shí)拍攝到管道兩側(cè)的軸向液膜，能夠獲取更多的液膜流動(dòng)信息并進(jìn)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(cè)量的需要，通過(guò)結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)整，改變公共視場(chǎng)區(qū)域的位置和大小，進(jìn)而滿足不同管道和測(cè)量環(huán)境的需求。

一個(gè)雙視角測(cè)量的公共視場(chǎng)實(shí)例中，R_max為可測(cè)最大管道半徑，β為攝像機(jī)像面對(duì)透視中心的張角，其公共視場(chǎng)寬度w為：

當(dāng)時(shí)，最大視場(chǎng)寬度w_max為：

此時(shí)可測(cè)最大管徑近似為：

由于虛擬攝像機(jī)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(jī)光軸之間的夾角α、虛擬攝像機(jī)光軸與高速攝像機(jī)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(jī)的垂直距離h₂，增大公共視場(chǎng)，進(jìn)而增大公共視場(chǎng)內(nèi)雙視角測(cè)量的最大管徑，在測(cè)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(jī)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(diǎn)及有益效果是：

本發(fā)明方法基于單臺(tái)高速攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)液膜軸向流動(dòng)參數(shù)的雙視角測(cè)量，既突破了傳統(tǒng)單攝像機(jī)PLIF方法僅能實(shí)現(xiàn)單視角測(cè)量的局限性，又避免了采用兩臺(tái)高速攝像機(jī)所帶來(lái)的嚴(yán)格同步問(wèn)題，降低了成本。同時(shí)，本方法能夠根據(jù)管道尺寸以及實(shí)際需求對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，以適應(yīng)不同情況下軸向液膜流動(dòng)參數(shù)測(cè)量的實(shí)際需要。

附圖說(shuō)明：

圖1為液膜軸向流動(dòng)參數(shù)的雙視角測(cè)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(dòng)參數(shù)的雙視角測(cè)量原理(以管道內(nèi)液膜為例)。

圖3為雙視角公共視場(chǎng)區(qū)域及可測(cè)的最大管道外徑示意圖。

圖4為裝置設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易說(shuō)明圖。

具體實(shí)施方式

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

針對(duì)液膜軸向流動(dòng)參數(shù)雙視角測(cè)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(shí)現(xiàn)光路的折光分光，在實(shí)體高速攝像機(jī)兩側(cè)形成兩臺(tái)互成角度的虛擬攝像機(jī)，對(duì)軸向液膜實(shí)現(xiàn)雙視角測(cè)量。根據(jù)不同管道尺寸和實(shí)際測(cè)量需求，可以對(duì)高速攝像機(jī)和反射鏡組結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，以適應(yīng)不同的軸向液膜雙視角流動(dòng)參數(shù)的測(cè)量需要。

具體方法如下：

1)調(diào)整片狀激光，使光平面通過(guò)圓形管道的垂直中心軸線并照亮流場(chǎng)，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(jī)垂直于激光平面，并盡量使其光軸對(duì)準(zhǔn)管道中心，在高速攝像機(jī)前放置兩組對(duì)稱光軸分布的反射鏡組，其折光分光光路會(huì)形成兩臺(tái)互成角度的虛擬攝像機(jī)，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(jī)工作距以及測(cè)量需求的不同，可以分為以下三種情況：

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

(b)左、右虛擬攝像機(jī)同時(shí)拍攝管道左、右兩側(cè)的軸向液膜信息；

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

注：在實(shí)際拍攝中，可以根據(jù)管徑大小、工作距以及測(cè)量需求，優(yōu)化高速攝像機(jī)與反射鏡組結(jié)構(gòu)參數(shù)，調(diào)整如高速攝像機(jī)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(jī)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(cè)量。

一般而言，在滿足條件(b)時(shí)，左、右虛擬攝像機(jī)可以同時(shí)拍攝到管道兩側(cè)的軸向液膜，能夠獲取更多的液膜流動(dòng)信息并進(jìn)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(cè)量的需要，通過(guò)結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)整，可以改變公共視場(chǎng)區(qū)域的位置和大小，進(jìn)而滿足不同管道和測(cè)量環(huán)境的需求。

3)對(duì)左、右虛擬攝像機(jī)攝取的軸向液膜雙視角熒光圖像進(jìn)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(zhǔn)確提取液膜流動(dòng)參數(shù)，并對(duì)其時(shí)空流動(dòng)結(jié)構(gòu)和特性進(jìn)行分析研究。

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明。

本發(fā)明提出一種新的液膜軸向流動(dòng)參數(shù)雙視角測(cè)量方法，其獨(dú)特之處在于：基于單臺(tái)高速攝像機(jī)同時(shí)獲取沿管道軸向的液膜雙視角流動(dòng)信息，與傳統(tǒng)的單攝像機(jī)PLIF方法(僅能實(shí)現(xiàn)單視角測(cè)量)相比具有明顯的優(yōu)越性，而相比采用兩臺(tái)高速攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)雙視角測(cè)量的方法，又避免了采用兩臺(tái)高速攝像機(jī)所帶來(lái)的嚴(yán)格同步問(wèn)題，降低了成本。同時(shí)，可以根據(jù)管道尺寸以及實(shí)際應(yīng)用對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，以適應(yīng)不同情況下流動(dòng)參數(shù)測(cè)量的需要，在兩臺(tái)虛擬攝像機(jī)公共視場(chǎng)區(qū)域內(nèi)，可以實(shí)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(dòng)參數(shù)的雙視角測(cè)量示意圖。由于被不同折射率的管道所包圍，針對(duì)管道內(nèi)液膜的測(cè)量更為復(fù)雜，因此以管道內(nèi)液膜流動(dòng)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(duì)液膜拍攝圖像產(chǎn)生的畸變影響。片狀激光平面通過(guò)圓形管道的垂直中心軸線并照亮流場(chǎng)，高速攝像機(jī)光軸通過(guò)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(jī)兩側(cè)各形成一臺(tái)虛擬攝像機(jī)，以一定交匯角分別從兩個(gè)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(dòng)參數(shù)的雙視角測(cè)量原理。如圖中所示，在高速攝像機(jī)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(duì)稱分布于攝像機(jī)光軸兩側(cè)，從而形成具有一定交匯角度的兩臺(tái)虛擬攝像機(jī)，分別從左、右兩個(gè)視角對(duì)軸向液膜進(jìn)行同步拍攝。其中M₁N₁、M₂N₂、M₃N₃分別為被測(cè)管道在不同位置時(shí)被激光片照亮的管道內(nèi)徑，對(duì)應(yīng)于不同工作距下的實(shí)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(chǎng)的最近距離，h₁為虛擬攝像機(jī)到反射鏡組的垂直距離，h₂為中心反射鏡組R_c到實(shí)體攝像機(jī)的垂直距離，h_m為中心反射鏡組R_c到最大公共視場(chǎng)區(qū)域的垂直距離，Δh為雙視角公共視場(chǎng)深度，α為中心反射鏡組R_c與攝像機(jī)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(jī)光軸與高速攝像機(jī)光軸之間的夾角。

如圖2所示，針對(duì)不同的管徑及測(cè)量需求，高速攝像機(jī)分別對(duì)應(yīng)不同工作距下的三種測(cè)量情況。當(dāng)管道內(nèi)徑位于M₁N₁時(shí)，對(duì)應(yīng)第一種情況，即采用左虛擬攝像機(jī)拍攝管道左側(cè)的軸向液膜信息，右虛擬攝像機(jī)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(shí)，對(duì)應(yīng)第二種情況，即左、右虛擬攝像機(jī)均能夠同時(shí)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(shí)，對(duì)應(yīng)第三種情況，即左虛擬攝像機(jī)拍攝管道右側(cè)的軸向液膜信息，右虛擬攝像機(jī)拍攝管道左側(cè)的軸向液膜信息。

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

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

當(dāng)時(shí)，最大視場(chǎng)寬度w_max為：

此時(shí)可測(cè)最大管徑近似為：

由于虛擬攝像機(jī)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(jī)光軸之間的夾角α、虛擬攝像機(jī)光軸與高速攝像機(jī)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(jī)的垂直距離h₂，這樣可以增大公共視場(chǎng)，進(jìn)而增大公共視場(chǎng)內(nèi)雙視角測(cè)量的最大管徑。調(diào)整示意圖如圖4所示，在測(cè)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(jī)均固定在鍵槽上，并可根據(jù)需要調(diào)整到不同的位置，無(wú)需另外加工裝置。

基于該方法可根據(jù)不同測(cè)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(guò)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(dòng)等流動(dòng)參數(shù)，為進(jìn)一步研究液膜時(shí)空流動(dòng)結(jié)構(gòu)和流動(dòng)特性提供準(zhǔn)確定量的豐富流動(dòng)信息，并為深入分析液膜演化特性及流動(dòng)機(jī)理奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。