基于纹影和MIE方法的气液两相流同场测试系统及处理方法

基于纹影和mie方法的气液两相流同场测试系统及处理方法
技术领域
1.本发明涉及动力能源技术领域，特别涉及一种基于纹影和mie方法的气液两相流同场测试系统及处理方法。


背景技术：

2.新时代的发展过程中，发动机在工业、日常生活、军事等各行各业都占据重要位置，推动着社会的发展，针对发动机的研究从未停止过。发动机内部火焰燃烧、碳烟排放以及喷雾系统的研究对提升发动机热效率、降低碳排放量而言有着重要的作用。为了研究发动机整体性能，模拟发动机内部运行工况，需要做到对发动机内部进行可视化处理，获取需求的数据。
3.目前发动机可视化研究中，最常用的手段有mie散射法，纹影法以及激光诱导法，都能满足一定精度的获得火焰燃烧及喷雾喷射过程中的图像。这些方法都能够提供收集数据图像的方法，能够促进发动机研发与进步。
4.在发动机可视化方面，实现对图像的采集是个重要步骤，采集获得的图片是整个实验的核心。各种方法之间有着各自的优缺点，比如mie较为直观，但不能展现出肉眼可见的流程，纹影法能够获得整体环境的气场波动，显示出肉眼不可见的流场，但又不够直观等。因此，在定容弹内部研究中，针对每种方法存在缺点，现有技术一般需要分别采用多种方法进行多次测量，采集多个图像，再利用计算机进行分析、对比和调整等，但该种测试方法需要分别采用不同的方法进行测试，操作过于繁琐，且采集的图像并不是定容弹同一时刻的内部状况图像，图像的精准度无法被保证。


技术实现要素：

5.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
6.为此，本发明的一个目的在于提出一种基于纹影和mie方法的气液两相流同场测试系统。
7.本发明的另一个目的在于提出一种基于纹影和mie方法的气液两相流同场测试处理方法。
8.为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了基于纹影和mie方法的气液两相流同场测试系统，包括：待测定容弹、第一凹透镜、第二凹透镜、光源、第一反光镜、第二反光镜、第一相机、第二相机、刀口、分光镜、自动调节装置和上位机，其中，在所述待测定容弹左右两侧预设位置处分别设置所述第一凹透镜和所述第二凹透镜，所述待测定容弹与所述第一凹透镜之间放置所述分光镜，所述分光镜上设置所述自动调节装置，所述分光镜上方和下方预设位置处分别设置所述第一相机与所述第二相机，所述待测定容弹右侧斜上方、所述第二凹透镜左侧斜上方之间设置所述光源，所述待测定容弹下端的左侧、上端的右侧分别设置所述第一反光镜和所述第二反光镜，所述第二相机与所述第一反射镜之间设置刀口，所述上位机分别与所述第一相机、所述第二相机、所述自动调节装置、所述待测定容弹
连接。
9.本发明实施例的基于纹影和mie方法的气液两相流同场测试系统，在进行图像采集过程中，为保证分光镜角度的准确性，在分光镜下安装自动调节装置，由电脑端进行调控；同时，系统对于气液两种情况都能够兼容，保证能实现气液两相流同场测试；整体系统通过电脑端的采集信号能保证两台相机能够同时采集数据，保持同步，并后续收集采集到的图片；相较于传统光路有一定程度的改变，能够确保mie散射法和纹影法同时实现，且采集到同一时刻定容弹内部状况图像，并保证采集图像的精度以及效率，最终采集图片经过程序的处理，再对比两者图片，从而保证最终结果的准确性以及可用性；另外在整体图像采集中，并不会干扰到定容弹内部的运行过程，属于缸外检测，更加方便，同时由于并未影响到实验，所收集到的数据也将更加精准。
10.另外，根据本发明上述实施例的基于纹影和mie方法的气液两相流同场测试系统还可以具有以下附加的技术特征：
11.进一步地，在本发明的一个实施例中，所述待测定容弹、所述光源、所述第二凹透镜、所述分光镜、所述第二反光镜和所述第二相机构成mie散射测试结构。
12.进一步地，在本发明的一个实施例中，所述待测定容弹、所述光源、所述第一凹透镜、所述第二凹透镜、所述分光镜、所述第一反光镜和所述第二反光镜、刀口、第一相机构成纹影测试结构。
13.进一步地，在本发明的一个实施例中，所述自动调节装置用于将所述分光镜调整至光线通过所述待测定容弹后能够被所述第一相机和所述第二相机同时采集到的位置。
14.为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了基于纹影和mie方法的气液两相流同场测试处理方法，包括以下步骤：步骤s1，将所述光源打开形成平行光，使所述平行光通过所述第二反射镜和所述第二凹面镜入射至所述待测定容弹；步骤s2，利用所述自动调节装置调整所述分光镜、所述第一相机和所述第二相机位置，使通过所述待测定容弹后的平行光对分后被捕捉；步骤s3，利用所述上位机控制喷油器喷油同时使得所述第一相机和所述第二相机开始拍摄，得到同一时刻的定容弹内部的第一结果图像和第二结果图像，并上传至所述上位机；步骤s4，利用所述上位机分别对所述第一结果图像和第二结果图像进行预处理后，分别测量两个结果图像数据；步骤s5，根据所述两个结果图像数据进行对比，以去除所述第一结果图像和第二结果图像中的误差数据，得到两个最优图像。
15.本发明实施例的基于纹影和mie方法的气液两相流同场测试处理方法，在进行图像采集过程中，为保证分光镜角度的准确性，在分光镜下安装自动调节装置，由电脑端进行调控；同时，系统对于气液两种情况都能够兼容，保证能实现气液两相流同场测试；整体系统通过电脑端的采集信号能保证两台相机能够同时采集数据，保持同步，并后续收集采集到的图片；相较于传统光路有一定程度的改变，能够确保mie散射法和纹影法同时实现，且采集到同一时刻定容弹内部状况图像，并保证采集图像的精度以及效率，最终采集图片经过程序的处理，再对比两者图片，从而保证最终结果的准确性以及可用性；另外在整体图像采集中，并不会干扰到定容弹内部的运行过程，属于缸外检测，更加方便，同时由于并未影响到实验，所收集到的数据也将更加精准。
16.另外，根据本发明上述实施例的基于纹影和mie方法的气液两相流同场测试处理方法还可以具有以下附加的技术特征：
17.进一步地，在本发明的一个实施例中，所述步骤s4具体包括：步骤s401，对所述第一结果图像和所述第二结果图像进行预处理；步骤s402，对预处理后的第一结果图像和第二结果图像的像素点、对应的喷嘴进行定位，并测量贯穿距和火焰锥角，以求解两个火焰体积；步骤s403，根据两个图像的像素点分别求解两个火焰像素占据位置；步骤s404，根据所述两个火焰体积和所述两个火焰像素占据位置计算出两个火焰面积，以作为两个结果图像数据。
18.进一步地，在本发明的一个实施例中，所述预处理中依次对所述第一结果图像和第二结果图像进行灰度化、降噪、裁剪和旋转。
19.本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
20.本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
21.图1是本发明一个实施例的基于纹影和mie方法的气液两相流同场测试系统的结构示意图；
22.图2是本发明一个实施例的纹影法原理示意图；
23.图3是本发明一个实施例的纹影法的z型光路图；
24.图4是本发明一个实施例的对两个结果图像的数据处理流程图；
25.图5是本发明一个实施例的同一时刻不同处理结果图；
26.图6是本发明一个实施例的最终实验效果图即两个最优图像；
27.图7是本发明一个实施例的基于纹影和mie方法的气液两相流同场测试系统的整体流程图；
28.图8是本发明一个实施例的基于纹影和mie方法的气液两相流同场测试处理方法的流程图。
29.附图标记说明：
30.100-基于纹影和mie方法的气液两相流同场测试系统、1-待测定容弹、2-第一凹透镜、 3-第二凹透镜、4-光源、5-第一反光镜、6-第二反光镜、7-第一相机、8-第二相机、9-刀口、 10-分光镜、11-自动调节装置和12-上位机。
具体实施方式
31.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
32.下面参照附图描述根据本发明实施例提出的基于纹影和mie方法的气液两相流同场测试系统及处理方法，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的基于纹影和mie方法的气液两相流同场测试系统。
33.图1是本发明一个实施例的基于纹影和mie方法的气液两相流同场测试系统的结构示意图。
34.如图1所示，该基于纹影和mie方法的气液两相流同场测试系统100包括：待测定容弹1、第一凹透镜2、第二凹透镜3、光源4、第一反光镜5、第二反光镜6、第一相机7、第二相机8、刀口9、分光镜10、自动调节装置11和上位机12。
35.其中，在待测定容弹1左右两侧预设位置处分别设置第一凹透镜2和第二凹透镜3，待测定容弹1与第一凹透镜2之间放置分光镜10，分光镜10上设置自动调节装置11，分光镜10上方和下方预设位置处分别设置第一相机7与第二相机8，待测定容弹1右侧斜上方、第二凹透镜3左侧斜上方之间设置光源4，待测定容弹1下端的左侧、上端的右侧分别设置第一反光镜5和第二反光镜6，第二相机8与第一反射镜之间设置刀口9，上位机12分别与第一相机7、第二相机8、自动调节装置11、待测定容弹1连接。
36.进一步地，在本发明的一个实施例中，待测定容弹1、光源4、第二凹透镜3、分光镜 10、第二反光镜6和第二相机8构成mie散射测试结构。
37.需要说明的是，mie散射原理指当悬浮于空间的微粒直径与入射光的波长接近或相当时，悬浮的微粒会对入射光发生散射作用，并且散射的光强与入射光的波长无关，因此， mie散射技术可被广泛应用到内燃机燃油喷雾特性的可视化测量中。其中，mie散射法根据入射光源的不同又分为白光mie散射法和激光mie散射法，白光mie散射法是以全波段led灯等作为光源，在进行冷态喷雾特性研究时，全波段的led灯能够反射的波长范围较广，能够完全覆盖高速相机的光谱接收范围。
38.本发明实施例采用最基础的mie散射技术，构建出mie散射法的测试结构来直接观察火焰燃烧性能以及结构等特性，根据其成像原理较为清晰的获得待测定容弹1火焰燃烧过程中的数据，即第一结果图像。
39.mie散射法主要公式为：
[0040][0041]
其中，α为无因次粒径参量，m1为颗粒周围分散介质折射率，d为颗粒直径，f为光的频率，c为光速。
[0042]
进一步地，在本发明的一个实施例中，待测定容弹1、光源4、第一凹透镜2、第二凹透镜3、分光镜10、第一反光镜5和第二反光镜6、刀口9、第一相机7构成纹影测试结构。
[0043]
需要说明的是，纹影法利用光束通过密度变化的流场时会因折射率的变化而发生光束偏折的原理，将偏折后的光汇聚并使用“刀口”装置恰当遮挡，即可在光束发散后形成明暗变化的实像。图像的明暗区域代表了流场的密度变化。平行光纹影法形成的图像中，明暗程度是测试区域流场中折射率(与密度相关)的一阶导数。纹影常用于研究气体或液体的流动。
[0044]
如图2所示，光源s为点光源，置于凸透镜l1的焦点处，则光源发出的光通过透镜转换为平行光束并通过测试段的介质。
[0045]
测试段介质a处存在密度梯度变化时，折射率会有所改变，则通过a点的入射光线在测试段内将发生偏折(如虚线所示)。这将导致部分原本应被光刀遮挡的光线因偏折而变得可以抵达视屏，或原本不被遮挡的光线因偏折被光刀遮挡，则会导致对应成像位置照度上升或下降，视屏上就会形成随密度变化亮暗不均的图像即纹影效应。
[0046]
如图3所示，本发明实施例为提高纹影法的精度，选择z型光路的纹影法对待测定
容弹1进行测试，来采集测定容弹内部的第二结果图像。
[0047]
进一步地，在本发明的一个实施例中，自动调节装置11用于将分光镜10调整至光线通过待测定容弹1后能够被第一相机7和第二相机8同时采集到的位置。
[0048]
本发明实施例为保证光线传递的正确性，在对应装置分光镜10下安装自动调节装置11，确保分光镜10的光线能够满足相机接收设置。
[0049]
具体地，本发明实施例在采用mie散射法和纹影法之前，对mie散射法的光路与纹影法光路进行改进，采用自动调节装置11将分光镜10调整至光线通过待测定容弹1后能够被第一相机7和第二相机8同时采集到的位置，即由上位机12调整自动调节装置11 使通过分光镜10的光线被对分，第一相机7和第二相机8同时采集到待测定容弹1内部图像，即第一结果图像和第二结果图像。
[0050]
进一步地，本发明实施例采集到第一结果图像和第二结果图像后，上传至上位机12，如图4所示，利用上位机12中预设的图像处理模块对第一结果图像和第二结果图像进行灰度化、降噪、裁剪、旋转，也就是对干扰要素进行一定程度上的修正，之后进行边缘化处理，并针对边缘化处理后图像进行数据采集，数据采集过程主要针对图片的像素点位置进行，对应的喷嘴进行定位，以及贯穿距的测量，根据贯穿距的定义，火焰锥角的定义进行程序编写，保证正确的测量到相关数据。同时，对火焰进行锥体化处理，便于处理处火焰体积。而在火焰面积方面，则读取火焰像素占据位置，通过像素点的面积进行计算，从而进行叠加进一步计算出两个结果图像中的火焰面积数值，以作为两个结果图像数据，如图 5所示。最后因纹影法采集得图像包含火焰燃烧数据以及对应气场数据，而mie散射法采集图像只能采集可见光范围内的火焰燃烧数据，因此将两种不同方法测量结果下的数据采用对比法进行对比，从而保证数据的可用性，以及去除不必要的数据和保留相关数据，得到两个最优图像，如图6所示。
[0051]
因此，本发明实施例提出的基于纹影和mie方法的气液两相流同场测试系统工作流程为：
[0052]
可以理解的是，如图1所示，通过结构图可以看出，两台相机所采集图片的光线都是由分光镜10从一束光线中分出，使得整体光路在拍摄中能够同时拍摄到液相和气相的图像，整体光路保证了mie散射法下的光线和纹影法下的光线是同一个光线，确保了两台相机的同步性，确保不同方法下采集的图片的一致程度。在整个结构中通过分光镜10对光线进行处理，确保都为可见光波，同时满足光线对分，保证图片的亮度，结构中同步控制系统保证在喷油的同时开始进行相机的拍摄，保证能够拍摄到需求的图片；
[0053]
因此，如图7所示，首先将光源4打开，使得整体系统中接入光源4，形成平行光，能够确保系统的光线通过待测定容弹1，以此带出内部图像使得最基本的测试能够进行；
[0054]
然后，利用上位机12控制自动调节装置11调整分光镜10、两个相机的位置，以确保光线通过定容弹带出信息后能够被相机捕捉到并处理。
[0055]
调整好相关器件的位置后，再由上位机12给出同步控制信号，控制喷油器喷油同时使得两台相机开始拍摄，在相机拍摄到图像后将图像传输至上位机12，方便保存以及后续处理。
[0056]
将得到的相关结果数据经过图4的流程处理后，最终得到图5的效果，完成火焰贯穿距、锥角、体积以及面积的测量，为火焰燃烧研究提供参考等意义。同时，两种不同方法测
量结果下的数据能够进行对比，从而保证数据的可用性，以及去除不必要的数据和保留相关数据。
[0057]
如图6所示，为根据实验所呈现的一张效果图即两个最优图像，可以看出，本发明实施例能够保证气液两相流同场测试的准确性，有较好的效果。在火焰位置，mie散射法和纹影法同时能拍摄出火焰的信息，对两者图片进行处理，所获得数据将更加精确，同时具有一定比照意义。
[0058]
根据本发明实施例提出的基于纹影和mie方法的气液两相流同场测试系统，在进行图像采集过程中，为保证分光镜角度的准确性，在分光镜下安装自动调节装置，由电脑端进行调控；同时，系统对于气液两种情况都能够兼容，保证能实现气液两相流同场测试；整体系统通过电脑端的采集信号能保证两台相机能够同时采集数据，保持同步，并后续收集采集到的图片；相较于传统光路有一定程度的改变，能够确保mie散射法和纹影法同时实现，且采集到同一时刻定容弹内部状况图像，并保证采集图像的精度以及效率，最终采集图片经过程序的处理，再对比两者图片，从而保证最终结果的准确性以及可用性；另外在整体图像采集中，并不会干扰到定容弹内部的运行过程，属于缸外检测，更加方便，同时由于并未影响到实验，所收集到的数据也将更加精准。
[0059]
其次参照附图描述根据本发明实施例提出的基于纹影和mie方法的气液两相流同场测试处理方法。
[0060]
图8是本发明一个实施例的基于纹影和mie方法的气液两相流同场测试处理方法的流程图。
[0061]
如图8所示，该基于纹影和mie方法的气液两相流同场测试处理方法包括以下步骤：
[0062]
在步骤s1中，将光源4打开形成平行光，使平行光通过第二反射镜和第二凹面镜入射至待测定容弹1。
[0063]
在步骤s2中，利用自动调节装置11调整分光镜10、第一相机7和第二相机8位置，使通过待测定容弹1后的平行光对分后被捕捉。
[0064]
在步骤s3中，利用上位机12控制喷油器喷油同时使得第一相机7和第二相机8开始拍摄，得到同一时刻的定容弹内部的第一结果图像和第二结果图像，并上传至上位机12。
[0065]
在步骤s4中，利用上位机12分别对第一结果图像和第二结果图像进行预处理后，分别测量两个结果图像数据。
[0066]
进一步地，在本发明的一个实施例中，步骤s4具体包括：
[0067]
步骤s401，对第一结果图像和第二结果图像进行预处理；
[0068]
步骤s402，对预处理后的第一结果图像和第二结果图像的像素点、对应的喷嘴进行定位，并测量贯穿距和火焰锥角，以求解两个火焰体积；
[0069]
步骤s403，根据两个图像的像素点分别求解两个火焰像素占据位置；
[0070]
步骤s404，根据两个火焰体积和两个火焰像素占据位置计算出两个火焰面积，以作为两个结果图像数据。
[0071]
进一步地，在本发明的一个实施例中，预处理中依次对第一结果图像和第二结果图像进行灰度化、降噪、裁剪和旋转。
[0072]
在步骤s5中，根据两个结果图像数据进行对比，以去除第一结果图像和第二结果
图像中的误差数据，得到两个最优图像。
[0073]
需要说明的是，前述对基于纹影和mie方法的气液两相流同场测试系统实施例的解释说明也适用于该实施例的基于纹影和mie方法的气液两相流同场测试处理方法，此处不再赘述。
[0074]
根据本发明实施例提出的基于纹影和mie方法的气液两相流同场测试处理方法，在进行图像采集过程中，为保证分光镜角度的准确性，在分光镜下安装自动调节装置，由电脑端进行调控；同时，系统对于气液两种情况都能够兼容，保证能实现气液两相流同场测试；整体系统通过电脑端的采集信号能保证两台相机能够同时采集数据，保持同步，并后续收集采集到的图片；相较于传统光路有一定程度的改变，能够确保mie 散射法和纹影法同时实现，且采集到同一时刻定容弹内部状况图像，并保证采集图像的精度以及效率，最终采集图片经过程序的处理，再对比两者图片，从而保证最终结果的准确性以及可用性；另外在整体图像采集中，并不会干扰到定容弹内部的运行过程，属于缸外检测，更加方便，同时由于并未影响到实验，所收集到的数据也将更加精准。
[0075]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0076]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0077]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。