一种基于计算同调群的流体流型行为与传热协同关系的表征方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于计算同调群的流体流型行为与传热协同关系的表征方法，属于直接接触式换热器性能指标评价【技术领域】。采用高速摄像机拍摄混合图像的方式收集不同工况的同调群的流体流型行为的图像；将收集到每一张不同工况的同调群的流体流型行为的图像采用数字图像处理技术计算气泡群边缘周长；将气泡群边缘周长按照时间序列点拟合出相对应该工况的曲线图，获得该工况的稳定状态时间，并得到每一个工况的平均气泡群边缘周长，然后通过平均气泡群边缘周长除以稳定状态时间得到单位时间周长；采用单位时间周长与同调群流体流型行为的容积换热系数的平均值的协同关系表征换热过程中的热传递情况。本方法具有较高的应用价值，且简单易行。
【专利说明】—种基于计算同调群的流体流型行为与传热协同关系的表征方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于计算同调群的流体流型行为与传热协同关系的表征方法，属于直接接触式换热器性能指标评价【技术领域】。
【背景技术】
[0002]近年来，国际能源形势剧变、原油价格不断飙升，能源问题日益凸显。能源危机作为当今世界各国所面临的主要社会问题之一，更是随着人类社会经济的不断发展而日益严峻。改革开放以来，以资源的高消耗，环境的严重破坏为代价的粗放型经济模式已不能保证中国经济的持续健康发展，能源对经济良性发展已构成严重制约。当今世界，人类利用的能源主要为石油、煤、天然气等化石燃料。然而，随着人类社会工业化生产的发展和人们生活水平的提高，人类对能源的需求与其有限储量之间的矛盾也愈演愈烈。因此，合理利用现有能源和开发新能源已经成为世界性的研究课题。
[0003]在开发和合理利用新能源的趋势下，换热器作为合理利用和节约能源、开发利用新能源的关键设备，在工农业生产中得到了广泛的应用。直接接触式换热是一种新型高效的换热方式，具有传热系数高、不易腐蚀、可在低温下操作和不易结垢等传统换热方式所无法比拟的优点，而且由于汽液两相流动的扰动，其传热系数可比单相流大20?100倍，因而在石油化工、动力、能源、节能技术等诸多领域中都具有广泛的应用。容积换热系数是直接接触式换热器的一个重要的性能指标，它是衡量直接接触式换热效率的关键，其影响因素众多，包括发生器内连续相体积、温差分布情况、换热量等。直接接触式换热器内部传热非常复杂，容积换热系数的计算和测量非常的困难，且其影响因素量值本身也是随时间而变化的，实际测量很难进行或精确测量，致使测量结果不能正确地反映实际传热情况。因此，发明一种简单易操作且有效的多相混合传热的热传递过程表征方法具有一定的现实意义和较高的应用价值。
【发明内容】
[0004]针对上述现有技术存在的问题及不足，本发明提供一种基于计算同调群的流体流型行为与传热协同关系的表征方法。本方法具有较高的应用价值，且简单易行，可以灵敏、快速、可靠、实时地表征热传递过程中的热传递情况，本发明通过以下技术方案实现。
[0005]一种基于计算同调群的流体流型行为与传热协同关系的表征方法，其具体步骤如下:
(1)首先采用高速摄像机拍摄混合图像的方式收集不同工况的同调群的流体流型行为的图像，即从换热混合开始时刻起连续拍摄8分钟收集该工况的6000幅混合图像；
(2)在matlab环境下，将步骤(I)收集到每一张不同工况的同调群的流体流型行为的图像采用数字图像处理技术计算气泡群边缘周长，具体为:
①首先将每一个工况中的所有图像采用matlab函数imread读进matlab中；②依次选取步骤①中的每一个工况中的每一张图像，然后采用matlab函数im2bw作二值化处理；
③将经二值化处理后的图像采用matlab函数imerode对其做腐蚀处理；
④将经腐蚀处理后的图像采用matlab函数imdilate对其做膨胀处理；
⑤最后将膨胀处理的图像运用函数regionprops(L{i}，’ Perimeter’)计算每一幅膨胀图像中每一个气泡的边缘周长并加总，即获得每一幅图像的气泡群边缘周长；
⑥将其余工况的图像按照步骤①至④进行处理，获得所采集的所有图像的每一张图像的气泡群边缘周长；
(3)将每一个工况的所有气泡群边缘周长按照matlab函数plot按照时间序列点拟合出相对应该工况的曲线图，通过该曲线图稳定状态获得该工况的稳定状态时间!，其单位为：s，同时通过matlab的数据分析得到每一个工况的平均气泡群边缘周长己，然
后通过平均气泡群边缘周长除以稳定状态时间得到单位时间周长，即单位时间周长=C/i
(4)采用步骤（3)中的气泡群边缘单位时间周长与同调群流体流型行为的容积换热系
数的平均值瓦的协同关系表征换热过程中的热传递情况，通过步骤（3)获得不同工区的单
位时间周长，比较不同工区的单位时间周长值的大小后，将单位时间周长值最大值工区的换热条件应用于生产过程中。 [0006]所述容积换热系数的平均值沉为8分钟内容积换热系数的平均值。
[0007]某厂生产过程中有9个工况需气-液换热，为简单易操作地了解换热过程中的热传递情况，该厂通过计算同调群的流体流型行为来验证与传热的协同关系，具体是：
(O首先采用高速摄像机拍摄混合图像的方式收集9个工况的同调群的流体流型行为的图像，即从换热混合开始时刻起连续拍摄8分钟，收集每个工况足够用于统计分析气泡群性能的6000幅混合图像；
(2)在matlab环境下，将步骤（I)收集到每一张不同工况的同调群的流体流型行为的图像采用数字图像处理技术计算气泡群边缘周长，具体为：
①首先将每一个工况中的所有图像采用matlab函数imread读进matlab中；
②依次选取步骤①中的每一个工况中的每一张图像，然后采用matlab函数im2bw作二值化处理；
③将经二值化处理后的图像采用matlab函数imeiOde对其做腐蚀处理，以消除图像上细小的噪声；
④将经腐蚀处理后的图像采用matlab函数imdilate对其做膨胀处理，其目的是连接气泡边缘的断点并使气泡边缘平滑，便于计算气泡边缘周长，①至④的原始图像处理流程如图I所示；
⑤最后将膨胀处理的图像运用函数regionprops(L{i}，’ Perimeter’)计算每一幅膨胀图像中每一个气泡的边缘周长并加总，即获得每一幅图像的气泡群边缘周长，每个工况对应6000个气泡群边缘周长；
⑥将其余工况的图像按照步骤①至④进行处理，获得所采集的所有图像的每一张图像的气泡群边缘周长，处理步骤如图I所示；(3)将每一个工况的所有气泡群边缘周长按照matlab函数plot按照时间序列点拟合出相对应该工况的曲线图，以此曲线图中周长变化表征该工况换热过程中的同调群流体流型行为，通过该曲线图稳定状态获得该工况的稳定状态时间I其单位为：s，其中曲线图稳定状态指：曲线波动趋于平稳的状态，稳定状态时间?指：曲线波动趋于平稳的开始时刻；同时通过matlab的数据分析得到每一个工况的平均气泡群边缘周长己，然后通过平均气
泡群边缘周长除以稳定状态时间得到单位时间周长，即单位时间周长=己/i，图2为工况5气泡群边缘周长拟合图，图2中曲线先波动较大，在时间142. 6s后开始趋于平稳，即该工况的稳定状态时间=142. 6s，从图2可看出，该工况的平均气泡群边缘周长己=32393. 6，则其即单位时间周长=CU =227. 2 ；
(4)将每一个工况的容积换热系数通过换热系数公式计算出8分钟内每整分钟的容积换热系数，各工况容积换热系数随时间变化如图3所示，然后计算各工况8分钟容积换热系
数平均值P；，即各工况第I分钟，第2分钟，第3分钟，……，第8分钟容积换热系数的平
均值,其单位为：/Ot3 .I ;
(5)为了使单位时间周长与容积换热系数协同关系更直观，将步骤（3)得到的每一个工况的单位时间周长缩小150倍，即Ct = C/(150xi),以每一个工况为横坐标，该工况8分钟
容积换热系数平均值反和每一个工况的单位时间周长缩小150倍Ct为纵坐标得到不同的点，其余工况也获得关于该工况对应的8分钟容积换热系数平均值瓦和单位时间周长缩小150倍C；的不同点，将不同工况的8分钟容积换热系数平均值!^点连接成曲线，同时也将不同工况的单位时间周长缩小150倍Q点连接成曲线，直观观察8分钟容积换热系数平均值$和单位时间周长缩小150倍^的相关性及变化趋势，如图4所示，由图4可知单位时间周长与容积换热系数平均值巧的变化趋势基本一致，两者协同关系较好。
[0008](6)将每一个工况的单位时间周长Q为横坐标，该工况8分钟容积换热系数平均
值$为纵坐标得到一个点，将其余每一个工况按照单位时间周长为横坐标，该工况8分钟
容积换热系数平均值瓦为纵坐标得出其余点，将所有得到的点进行直线拟合，获得相关系数，如图5所示，其相关系数为O. 94。通过以上简单易行的操作过程，证明可用单位时间周长与容积换热系数平均值斤的协同关系表征换热过程中的热传递情况，即本发明的表征方法简单易行，灵敏、快速、可靠、实时地表征了热传递过程中的热传递情况，上述各个工况的数据计算结果如表1所示。
[0009]表1各工况数据计算结果（t单位：s，^单位：kM / . K )
【权利要求】
1.一种基于计算同调群的流体流型行为与传热协同关系的表征方法，其特征在于具体步骤如下: (1)首先采用高速摄像机拍摄混合图像的方式收集不同工况的同调群的流体流型行为的图像，即从换热混合开始时刻起连续拍摄8分钟收集该工况的6000幅混合图像； (2)在matlab环境下，将步骤(I)收集到每一张不同工况的同调群的流体流型行为的图像采用数字图像处理技术计算气泡群边缘周长，具体为: ①首先将每一个工况中的所有图像采用matlab函数imread读进matlab中； ②依次选取步骤①中的每一个工况中的每一张图像，然后采用matlab函数im2bw作二值化处理； ③将经二值化处理后的图像采用matlab函数imerode对其做腐蚀处理； ④将经腐蚀处理后的图像采用matlab函数imdilate对其做膨胀处理； ⑤最后将膨胀处理的图像运用函数reg1nprops(L{i}，’ Perimeter’)计算每一幅膨胀图像中每一个气泡的边缘周长并加总，即获得每一幅图像的气泡群边缘周长； ⑥将其余工况的图像按照步骤①至④进行处理，获得所采集的所有图像的每一张图像的气泡群边缘周长； (3)将每一个工况的所有气泡群边缘周长按照matlab函数plot按照时间序列点拟合出相对应该工况的曲线图，通过该曲线图稳定状态获得该工况的稳定状态时间I,其单位为:S，同时通过matlab的数据分析得到每一个工况的平均气泡群边缘周长己，然后通过平均气泡群边缘周长除以稳定状态时间得到单位时间周长，即单位时间周长=C/I (4)采用步骤(3)中的气泡群边缘单位时间周长与同调群流体流型行为的容积换热系数的平均值沉的协同关系表征换热过程中的热传递情况，通过步骤(3)获得不同工区的单位时间周长，比较不同工区的单位时间周长值的大小后，将单位时间周长值最大值工区的换热条件应用于生产过程中。
2.如权利要求1所述的基于计算同调群的流体流型行为与传热协同关系的表征方法，其特征在于:所述容积换热系数的平均值瓦为8分钟内容积换热系数的平均值。
【文档编号】G06F19/00GK104036122SQ201410229899
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年5月28日 优先权日:2014年5月28日
【发明者】徐建新, 苏俞真, 桑秀丽, 王 华, 黄俊伟, 王仕博, 王辉涛 申请人:昆明理工大学