一种基于疏水材料的液滴直径分布测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于液雾直径分布特性测量技术领域，涉及一种基于疏水材料的液滴直径 分布测量方法。
【背景技术】
[0002] 在喷雾系统与其他工业生产过程中，液体射流的雾化在增加气液间有效接触面积 与强化气液间的传热、传质方面起着及其重要的作用。评价雾化质量的参数主要为液滴的 尺寸分布。另外，在填料塔等设备中，其出口液滴的直径分布是衡量塔设备飘液程度及选择 对应除雾设备的重要依据。
[0003] 液滴粒径分布的测试方法主要分为基于光学原理的测量方法和基于采样样 本的测量方法。其中基于光学原理的测量方法有相位多普勒分析仪（phasedoppler anemometry，PDA)、粒子图像测速仪（particleimagevelocimetry，PIV)、全场彩虹技术 (globalrainbowtechnique)等，可实现无入侵、在线测量，但测量精度受液滴粒径上限限 制，且设备复杂昂贵，不易实现现场测量。基于采样样本的测试方法易实现现场测量且成本 较低，但存在各自缺陷。其中基于采样样本的测试方法需要事先拟合直接测量量与液滴粒 径之间的关联式，其中滤纸采样受采样液滴下落高度影响，面粉采样受采样液滴碰撞面粉 时的角度影响，而在喷雾或者飘液粒径分布现场测量中，液滴下落高度与采样时的碰撞角 度具有随机性，无法控制。聚乙烯醇表面采样、硅片采样及乙醇-水溶液采样的方法及关联 式均只适用于特定种类液滴，而工业过程中的循环工质包括水、盐溶液及有机溶液，因此以 上三种测量方法不具有普遍适用性。摄影采样法测试粒径范围广且不受液滴下落高度及种 类限制，但测量精度受到非球形液滴影响。
[0004] 因此针对工业过程中液滴下落高度及采样时的碰撞角度具有随机性，且在空中运 行过程中含有大量非球形液滴的特点，设计一种适用于不同种类液滴粒径分布测量的方法 成为本领域技术人员迫切需要解决的技术难题。
【发明内容】
[0005] 技术问题：本发明提供一种采样法对象适应性好、人工工作量小，成本低、提高了 精度的基于疏水材料的液滴直径分布测量方法。
[0006] 技术方案：本发明的基于疏水材料的液滴直径分布测量方法，包括以下步骤：
[0007] 1)单个液滴在疏水材料表面的特性表征：逐次滴定不同直径的单个液滴至高粘 附性疏水材料表面，并拍摄单个液滴的侧面图像，对所得到的单个液滴侧面图像，利用Mat Lab软件进行图像处理及数据拟合，得到表征单个液滴侧面形貌特征的参数a和c之间的函 数关系，其中a为椭圆长半轴长度、c为椭圆短半轴长度，然后根据下式计算椭圆短半轴长 度与椭圆圆心距疏水材料表面距离的差值：
[0008]
[0009] 2)疏水批量液滴的采集：将所述步骤1中的高粘附性疏水材料置于需要测量液滴 直径分布的喷嘴下方或是塔设备出口，呈接从喷嘴喷洒出来的液滴或是塔设备出口飞溅的 液滴，将完成上述液滴采集的疏水材料与作为尺寸参照的标尺放在同一平面内，拍摄疏水 材料及标尺的俯视图像；
[0010] 3)批量液滴的图像处理：对于所述步骤2中得到的批量液滴的俯视图像，利用Mat lab软件进行图像批量处理，得到各个液滴所占像素Sld和标尺所占像素Sls;
[0011] 4)液滴真实直径的模型计算：根据所述步骤3中得到液滴所占像素Sld，标尺所占 像素Sls，以及已知的标尺实际面积Sts，根据下式计算出液滴实际投影面积std:
[0012]
[0013] 根据下式计算出液滴侧面图像中椭圆长半轴长度a:a=机d!π；
[0014] 根据所述步骤1中确定的a，c，h间的函数关系，计算获得c，h，然后计算得到液滴 实际体积V戈
I滴实际直径1^为
[0015] 5)液滴分布特性拟合：利用正态分布函数对步骤4)中得到的各液滴实际直径Deq 数据进行个数分布拟合，即根据下式得到液滴的正态分布函数f(D):
[0016]
[0017] 式中N表示液滴个数，μ表示液滴平均直径，δ为标准差；
[0018] 同时用Rosin-Rammler分布函数对各液滴实际直径Deq数据进行质量分布拟合，即 根据下忒犋优.
[0019]
[0020] 式中Vc为累积体积分布，即粒径在D以下的所有颗粒的体积与总体积的比值，η为 均匀度指数，m为常数。
[0021] 本发明的优选方案中，所述高粘附性疏水材料的接触角大于130度，滚动角大于 90度。
[0022] 本发明的优选方案中，所述步骤1)中利用MatLab函数进行图像处理及数 据拟合的具体步骤为：利用imread函数将液滴侧面图像读取至Matlab软件中；利用 rgb2gray函数将读取的液滴侧面图像进行图像灰度转化，得到液滴侧面图像的灰度图；利 用graythresh函数对所得的液滴侧面图像的灰度图进行阀值选取；利用im2bw函数根据 graythresh函数选取的阀值进行图像二值化处理；利用imfill函数对二值化处理结果进 行填充；利用bwboundaries函数获取imfill填充后液滴侧面图像的边界点参数X(x,y); 利用nlinfit(X,f)函数对边界点参数X(x,y)进行椭圆最小二乘法拟合，得到参数a和c 之间的函数关系。
[0023] 本发明的优选方案中，所述步骤3)中利用Matlab软件进行图像批量处理的具体 过程如下：通过imread函数获取俯视图像；通过rgb2gray函数将所述俯视图像像转化成 灰度图；通过im2bw函数对所得的灰度图进行二值化处理，获得二值化图像；通过imfill 函数填充所述二值化图像中封闭曲线内的空缺点；regionprops函数读取imfill函数处理 所得图像中液滴投影所占像素Sld和标尺所占像素Sls。
[0024] 有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
[0025] 1、本发明利用疏水材料采集液滴，疏水材料能保持液滴形貌的特性，改性质对于 不同密度，不同表面张力，不同直径的液滴均适用，且采集时不受液滴掉落的高度，撞击疏 水材料的角度等因素的影响，而传统采样法无法实现对不同性质液滴的测量，对于液滴下 落高度，碰撞角度等参数发生变化时也需重新拟合关系式，因此本发明的方法对象适应性 好更好。
[0026] 2、本发明所用疏水材料具有高粘附性，可保证疏水材料在竖直放置的情况下所采 集的液滴不发生滚动及脱落，保障测量的准确性。
[0027] 3、本发明利用MatLab图像处理及程序拟合的方法，实现了液滴直径的批量处理， 而传统采样法采样所得样本非图片，需要进行大量的称重、长度量取等人工操作，因此本发 明的方法与传统的各种采样法相比，显著提高了速度，减少了人为误差。
[0028] 4、本发明利用疏水材料采集、拍摄、图像处理、算法拟合的方法，与光学测量方法 相比，将动态测量过程转化为静态测量，避免了光学法在动态测量过程中由于液滴在空中 的形状为非球形而造成的测量误差；且静态测量对拍摄设备的帧速率性能无限制，大幅度 降低了设备成本。
【附图说明】
[0029] 图1是本发明的流程图示意图。
[0030] 图2疏水材料表面单个液滴形貌及模型，其中（a)为单个液滴的俯视图，（b)为单 个液滴的侧视图，（c)为单个液滴侧视图的椭球模型。
[0031] 图3是典型的液滴侧面形貌分析过程，其中（a)为液滴侧面图像，（b)为液滴侧面 图像二值化图像，（c)为二值化图像的填充图，（d)为液滴侧面图像的边界拟合结果。
[0032] 图4是典型的采样液滴批量图像处理过程，其中（a)为采样液滴的俯视图，（b)为 液滴俯视图对应的灰度图，（c)为灰度图的二值化及填充结果图。
[0033] 图5是典型的批量液滴直径分布测量结果。
[0034] 图6是典型的液滴正态分布拟合结果。
[0035] 图7是典型的液滴R-R分布拟合结果。
【具体实施方式】
[0036] 下面结合附图及实施例对本发明的技术方案作进一步的描述。
[0037] 本发明的基于疏水材料的液滴直径分布测量方法，测量过程如图1所示，包括：① 单个液滴在疏水材料表面的特性表征；②疏水材料批量液滴的采集；③批量液滴的图像处 理；④液滴真实直径的模型计算；⑤液滴分布特性拟合。
[0038] 本发明的具体实施方法如下。
[0039] 1)单个液滴在疏水材料表面的特性表征：选用高粘附性的疏水材料，利用接触角 测量仪测量该疏水材料的接触角Θ，要求被选用的疏水材料满足接触角大于130°，滚动 角大于90°。
[0040] 逐次滴定不同直径的单个液滴至高粘附性疏水材料表面，并拍摄单个液滴的侧面 图像，对所得到的单个液滴侧面图像。由于重力与表面张力的共同作用，典型的疏水材料表 面液滴形貌如图2(a)、（b)所示，正面投影为圆形，液滴关于中心轴轴对称，侧面轮廓可以 由椭圆近似，建立如图2(c)所示的中心对称椭球模型：
[0041]
(1)
[0042] 液滴对应的体积V可由椭球体积积分获得：
[0043] :(:.2.).
[0044] ③
[0045] a为椭圆长半轴长度，c为椭圆短半轴长度，h为椭圆短半轴长度与椭圆圆心距疏 水