液膜轴向流动参数双视角测量方法与流程

本发明属于两相/多相流测量领域，特别涉及一种管道内(外)液膜轴向流动参数的双视角测量方法。

背景技术：

液膜广泛存在于石油、化工、能源、冶金、核工业等国民经济重要的工业生产过程、系统和装备中，是一种重要的流动形态。液膜关键流动参数，如液膜厚度、流速、波动状态等的测量，是深入研究环状流演化特性及流动机理的重要基础，对提高传热传质效率、准确计量及提高能源利用等都具有非常重要的理论意义和实用价值。管道内(外)沿管道轴向的液膜流动参数可以反映出液膜时空流动特性，是测量的关键参数之一。

由于平面激光诱导荧光(PLIF)方法具有非侵入、瞬时、场测量的突出优势，近些年来逐渐成为国内外研究液膜的前沿和热点。典型的基于LIF的液膜参数测量方法，是在流场中溶解具有特定分子结构的荧光溶剂，片状激光经由管道垂直中心轴线照亮流场，采用单台高速摄像机垂直于激光平面拍摄，实现单一视角的轴向液膜流动参数测量。由于单台高速摄像机视场的限制，以及液膜测量空间分辨率的要求，单一视角测量对于液膜时空流动，尤其是非轴对称液膜而言，缺失了很多必要的流动信息。而针对液膜轴向流动参数的双视角测量，可以获取更丰富的液膜流动形态和流动特征，对于深入认识液膜流动结构、演化及传热传质特性具有非常重要的研究意义和应用价值。

技术实现要素：

为克服现有技术的不足，本发明旨在提出一种液膜轴向流动参数的双视角测量方法，结合激光诱导荧光技术，实现管道内(外)轴向液膜双视角流动信息的实时、同步获取，以满足不同情况下液膜丰富时空流动特征的测量、分析与研究需要。本发明采用的技术方案是，液膜轴向流动参数双视角测量方法，步骤是：

1)调整片状激光，使光平面通过圆形管道的垂直中心轴线并照亮流场，激发溶解有特定荧光溶剂的沿管道轴向的液膜产生荧光；

2)高速摄像机垂直于激光平面，并尽量使其光轴对准管道中心，在高速摄像机前放置两组对称光轴分布的反射镜组，其折光分光光路形成两台互成角度的虚拟摄像机，以一定交汇角分别从两侧拍摄沿管道轴向的液膜双视角图像；

3)对左、右虚拟摄像机摄取的轴向液膜双视角荧光图像进行处理，包括灰度化、差影反色、阈值分割、形态学、畸变校正、图像融合，准确提取液膜流动参数，并对其时空流动结构和特性进行分析研究。

步骤2)进一步地，根据高速摄像机工作距以及测量需求的不同，分为以下三种情况：

(a)左虚拟摄像机拍摄管道左侧的轴向液膜信息，右虚拟摄像机拍摄管道右侧的轴向液膜信息；

(b)左、右虚拟摄像机同时拍摄管道左、右两侧的轴向液膜信息；

(c)左虚拟摄像机拍摄管道右侧的轴向液膜信息，右虚拟摄像机拍摄管道左侧的轴向液膜信息；

在实际拍摄中，根据管径大小、工作距以及测量需求，优化高速摄像机与反射镜组结构参数，调整如高速摄像机到管道的距离，两侧反射镜组到中心光轴的水平距离或高速摄像机到中心反射镜组的垂直距离，使其满足上述条件之一的轴向液膜双视角测量。

在满足条件(b)时，左、右虚拟摄像机可以同时拍摄到管道两侧的轴向液膜，能够获取更多的液膜流动信息并进行信息的融合；条件(a)和(c)满足不同管径和工作距下轴向液膜双视角测量的需要，通过结构参数调整，改变公共视场区域的位置和大小，进而满足不同管道和测量环境的需求。

一个双视角测量的公共视场实例中，R_max为可测最大管道半径，β为摄像机像面对透视中心的张角，其公共视场宽度w为：

当时，最大视场宽度w_max为：

此时可测最大管径近似为：

由于虚拟摄像机到反射镜组的垂直距离h₁为：

h₁＝h₂ cosθ+d sin 2(α-γ)

为了调整方便，可以不改变镜组之间的角度关系，即保持中心反射镜组与摄像机光轴之间的夹角α、虚拟摄像机光轴与高速摄像机光轴之间的夹角θ、以及两侧反射镜与中心反射镜组的夹角γ不变，增大两侧反射镜组到中轴线的距离d，或增大中心反射镜组到高速摄像机的垂直距离h₂，增大公共视场，进而增大公共视场内双视角测量的最大管径，在测量传感器底座上开设竖直及水平调整键槽，两侧的反射镜组和高速摄像机均固定在键槽上，并根据需要调整到不同的位置。

本发明的特点及有益效果是：

本发明方法基于单台高速摄像机实现液膜轴向流动参数的双视角测量，既突破了传统单摄像机PLIF方法仅能实现单视角测量的局限性，又避免了采用两台高速摄像机所带来的严格同步问题，降低了成本。同时，本方法能够根据管道尺寸以及实际需求对结构参数进行优化调整，以适应不同情况下轴向液膜流动参数测量的实际需要。

附图说明：

图1为液膜轴向流动参数的双视角测量示意图(以管道内液膜为例)。

图2为不同情况下液膜轴向流动参数的双视角测量原理(以管道内液膜为例)。

图3为双视角公共视场区域及可测的最大管道外径示意图。

图4为装置设计简易说明图。

具体实施方式

本发明适用于管道内液膜轴向流动参数的双视角测量，如气液环(雾)状流、管道内降膜等液膜流动情况下轴向流动参数的双视角测量，同样也适用于管道外液膜流动情况下液膜轴向流动参数的双视角测量。

针对液膜轴向流动参数双视角测量，本发明在传统平面激光诱导荧光(PLIF)技术基础上，增加了两组前表面反射镜组实现光路的折光分光，在实体高速摄像机两侧形成两台互成角度的虚拟摄像机，对轴向液膜实现双视角测量。根据不同管道尺寸和实际测量需求，可以对高速摄像机和反射镜组结构参数进行调整优化，以适应不同的轴向液膜双视角流动参数的测量需要。

具体方法如下：

1)调整片状激光，使光平面通过圆形管道的垂直中心轴线并照亮流场，激发溶解有特定荧光溶剂的沿管道轴向的液膜产生荧光。

2)高速摄像机垂直于激光平面，并尽量使其光轴对准管道中心，在高速摄像机前放置两组对称光轴分布的反射镜组，其折光分光光路会形成两台互成角度的虚拟摄像机，以一定交汇角分别从两侧拍摄沿管道轴向的液膜双视角图像。根据高速摄像机工作距以及测量需求的不同，可以分为以下三种情况：

(a)左虚拟摄像机拍摄管道左侧的轴向液膜信息，右虚拟摄像机拍摄管道右侧的轴向液膜信息；

(b)左、右虚拟摄像机同时拍摄管道左、右两侧的轴向液膜信息；

(c)左虚拟摄像机拍摄管道右侧的轴向液膜信息，右虚拟摄像机拍摄管道左侧的轴向液膜信息。

注：在实际拍摄中，可以根据管径大小、工作距以及测量需求，优化高速摄像机与反射镜组结构参数，调整如高速摄像机到管道的距离，两侧反射镜组到中心光轴的水平距离或高速摄像机到中心反射镜组的垂直距离等，使其满足上述条件之一的轴向液膜双视角测量。

一般而言，在满足条件(b)时，左、右虚拟摄像机可以同时拍摄到管道两侧的轴向液膜，能够获取更多的液膜流动信息并进行信息的融合，是较为理想的拍摄状态。条件(a)和(c)可以满足不同管径和工作距下轴向液膜双视角测量的需要，通过结构参数调整，可以改变公共视场区域的位置和大小，进而满足不同管道和测量环境的需求。

3)对左、右虚拟摄像机摄取的轴向液膜双视角荧光图像进行处理，如灰度化、差影反色、阈值分割、形态学、畸变校正、图像融合等，准确提取液膜流动参数，并对其时空流动结构和特性进行分析研究。

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

本发明提出一种新的液膜轴向流动参数双视角测量方法，其独特之处在于：基于单台高速摄像机同时获取沿管道轴向的液膜双视角流动信息，与传统的单摄像机PLIF方法(仅能实现单视角测量)相比具有明显的优越性，而相比采用两台高速摄像机实现双视角测量的方法，又避免了采用两台高速摄像机所带来的严格同步问题，降低了成本。同时，可以根据管道尺寸以及实际应用对结构参数进行优化调整，以适应不同情况下流动参数测量的需要，在两台虚拟摄像机公共视场区域内，可以实现双视角轴向液膜图像的信息融合。

图1所示为液膜双轴向流动参数的双视角测量示意图。由于被不同折射率的管道所包围，针对管道内液膜的测量更为复杂，因此以管道内液膜流动为例。图中圆形管道内为被荧光剂(如罗丹明B)染色后的液膜，管道外为填充有折射率匹配液的矩形方槽，以降低圆形管道对液膜拍摄图像产生的畸变影响。片状激光平面通过圆形管道的垂直中心轴线并照亮流场，高速摄像机光轴通过管道中心并垂直于激光平面拍摄。结构参数优化后的两组反射镜组，具体如图2所示，经由其折光分光光路，在高速摄像机两侧各形成一台虚拟摄像机，以一定交汇角分别从两个视角拍摄轴向液膜图像。

图2所示为不同情况下液膜轴向流动参数的双视角测量原理。如图中所示，在高速摄像机前构建中心反射镜组R_c及两侧反射镜组R_sl、R_sc，对称分布于摄像机光轴两侧，从而形成具有一定交汇角度的两台虚拟摄像机，分别从左、右两个视角对轴向液膜进行同步拍摄。其中M₁N₁、M₂N₂、M₃N₃分别为被测管道在不同位置时被激光片照亮的管道内径，对应于不同工作距下的实际情况，d为两侧反射镜R_sl或R_sc到中轴线的距离，h₀为中心反射镜组R_c到公共视场的最近距离，h₁为虚拟摄像机到反射镜组的垂直距离，h₂为中心反射镜组R_c到实体摄像机的垂直距离，h_m为中心反射镜组R_c到最大公共视场区域的垂直距离，Δh为双视角公共视场深度，α为中心反射镜组R_c与摄像机光轴之间的夹角，γ为两侧反射镜R_sl、R_sc与中心反射镜组R_c的夹角，θ为虚拟摄像机光轴与高速摄像机光轴之间的夹角。

如图2所示，针对不同的管径及测量需求，高速摄像机分别对应不同工作距下的三种测量情况。当管道内径位于M₁N₁时，对应第一种情况，即采用左虚拟摄像机拍摄管道左侧的轴向液膜信息，右虚拟摄像机拍摄管道右侧的轴向液膜信息；当管道内径位于M₂N₂时，对应第二种情况，即左、右虚拟摄像机均能够同时拍摄管道左、右两侧的轴向液膜信息；当管道直径位于M₃N₃时，对应第三种情况，即左虚拟摄像机拍摄管道右侧的轴向液膜信息，右虚拟摄像机拍摄管道左侧的轴向液膜信息。

在实际测量中，当管道内径较小时可将其置于双视角公共区域内，如M₂N₂处，此时两台交汇的虚拟摄像机可以同时拍摄到双侧的轴向液膜流动信息，方便进行融合与对比分析。当工作距较小时，如管道内径位于M₁N₁处，此时两台虚拟摄像机拍摄同侧的轴向液膜信息，拍摄目标距离相机较近，画幅较大，可以从两个视角清晰获得较大管径的液膜双轴向流动信息。当工作距较大时，如管道内径位于M₃N₃处，此时虚拟摄像机拍摄异侧的液膜图像，可对应更大管径液膜轴向参数的测量。以上三种情况中，当管径位于双视角公共区域时能获得更多的液膜流动信息，因此可以优化调整高速摄像机及反射镜组的结构参数，使公共视场区域能够适应更大管径范围的轴向液膜参数测量。

图3所示为双视角测量的公共视场区域及可测最大管径示意图。其中R_max为可测最大管道半径，β为摄像机像面对透视中心的张角，结合图2中双视角测量模型及光路，其公共视场宽度w为：

当时，最大视场宽度w_max为：

此时可测最大管径近似为：

由于虚拟摄像机到反射镜组的垂直距离h₁为：

h₁＝h₂cosθ+dsin2(α-γ)

为了调整方便，可以不改变镜组之间的角度关系，即保持中心反射镜组与摄像机光轴之间的夹角α、虚拟摄像机光轴与高速摄像机光轴之间的夹角θ、以及两侧反射镜与中心反射镜组的夹角γ不变，增大两侧反射镜组到中轴线的距离d，或增大中心反射镜组到高速摄像机的垂直距离h₂，这样可以增大公共视场，进而增大公共视场内双视角测量的最大管径。调整示意图如图4所示，在测量传感器底座上开设竖直及水平调整键槽，两侧的反射镜组和高速摄像机均固定在键槽上，并可根据需要调整到不同的位置，无需另外加工装置。

基于该方法可根据不同测量需要，摄取三种不同情况下轴向液膜的双视角图像，并通过灰度化、差影、反色、阈值分割、形态学、投影校正、融合等处理技术，提取液膜厚度、速度、波动等流动参数，为进一步研究液膜时空流动结构和流动特性提供准确定量的丰富流动信息，并为深入分析液膜演化特性及流动机理奠定坚实的基础。