液体旋流场中微粒自转的同步高速摄像方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及液体旋流场中微粒自转的同步高速摄像方法及装置，提供了一种液体旋流场中微粒自转的同步高速摄像方法，该方法包括以下步骤：(1)选择直径相等、中心对称布置的两个内核的透明或半透明微粒作为自转测试颗粒；(2)采用两台或更多台高速摄像机同步获取液体旋流场中微粒运动的二维图像序列；(3)通过所得的二维图像序列重构微粒三维运动轨迹，同时获得微粒在旋流场中的自转速度。还提供了一种液体旋流场中微粒自转的同步高速摄像装置。
【专利说明】液体旋流场中微粒自转的同步高速摄像方法及装置
【技术领域】
[0001] 本发明属于液-固两相流测试领域，涉及一种利用高速摄像系统测试液体旋流场 中微粒自转运动的方法及装置。具体地说，涉及一种利用两台正交布置的高速数字相机同 步测试液体旋流场中微粒自转运动的方法及装置。
【背景技术】
[0002] 液-固旋流分离技术以其高效、节能等优势广泛应用于石油炼制和化工过程生产 中，随着重质油炼制技术的发展，含油多孔废催化剂的回收处理成为了制约炼油技术发展 的难题，旋流洗涤脱附技术有效地解决了含油多孔颗粒脱油处理的问题。在旋流洗涤脱附 的技术研究中发现，微粒不仅围绕旋流场中心做公转运动（传统意义上的液-固旋流分 离），还有围绕其自身瞬时轴的自转运动，颗粒自转运动对颗粒携带的油具有强化分离作 用。为研究旋流场中微粒的自转运动对污染物的强化分离作用，本领域中提出了适用于旋 流场中微粒自转运动的测试方法并开发了测试装置。
[0003] 本领域中对液体剪切流场中悬浮颗粒的旋转运动也有很多研究，但是由于流场的 复杂和测试技术限制，基本处于低颗粒雷诺数条件下的简单剪切流动，而对于高颗粒雷诺 数湍流条件下颗粒自转运动的研究非常少。
[0004] Simon Klein (Measurement Science and Technology (测量科技），2〇13,第 24 卷第 2期，第1-10页）等报告了一种同时三维测量微细惯性颗粒轨迹、平移和自转，以及湍流的 测试技术。其利用了三台高速CMOS相机采用LPT方法测试了颗粒三维轨迹，通过追踪强吸 水性聚合物球形颗粒表面嵌入的多个100微米突光粒子的瞬时变化来分析νοη Κ?πιι?η流场 中颗粒的自转运动。聚合物颗粒有强吸水性浸入水中后直径从1?2mm长大到约10mm，密 度与水相当。三台高速CMOS相机帧频为2900fps，图像分辨率为768X768。
[0005] Colin R. Meyer (Rotational diffusion of particles in turbulence (润流中颗粒 的旋转分散），arXiv preprint arXiv: 1301. 0150, 2013)等利用立体颗粒图像速度测量技术 (SPIV)测试了一个对称搅拌槽内球形颗粒和椭球颗粒的旋转运动。球形颗粒直径为8mm， 椭球颗粒长径和短径分别是16mm和8mm，密度为1007kg/m 3。流场中球形颗粒和椭球颗粒 的雷诺数分别是22和63。测试的时间分辨率（相机拍摄帧频）为14. 773Hz。其测试得到 的球形颗粒自转速度为[Ωχ，Qy，Ωζ] = [-0.012,-0.029, 0.021] Rad/s，椭球颗粒自转速 度为[Ωχ，Qy，Ωζ] = [-0.024,-0.052, 0.011]Rad/s。
[0006] 而对于液-固微旋流器，其旋流场最大切向速度可达8?10m/S，其分离的颗粒直 径一般在微米级。这就要求测试具有更高的时间和空间分辨率。
[0007] 迄今为止，对于液-固微旋流器内低粘度高湍流流体中微米级颗粒的自转速度， 本领域尚未开发出一种有效的测量方法。
【发明内容】
[0008] 本发明提供了一种新颖的液体旋流场中微粒自转的同步高速摄像方法及装置，从 而解决了现有技术中存在的问题。
[0009] -方面，本发明提供了一种液体旋流场中微粒自转的同步高速摄像方法，该方法 包括以下步骤：
[0010] (1)选择直径相等、中心对称布置两个内核的透明或半透明微粒作为自转测试颗 粒；
[0011] (2)采用两台或更多台高速摄像机同步获取液体旋流场中微粒运动的二维图像序 列；
[0012] (3)通过所得的二维图像序列重构微粒三维运动轨迹，同时获得微粒在旋流场中 的自转速度。
[0013] 在一个优选的实施方式中，在步骤（1)中，选择的自转测试颗粒的外壳为透明或 者半透明球形，内包两个深色、直径相等、中心对称布置的内核，直径小于500微米，并且变 形系数小于5%。
[0014] 在另一个优选的实施方式中，在步骤（2)中，采用两台正交布置的高速摄像机，其 同步拍摄误差小于10微秒，拍摄视场景深不低于旋流场直径的20%。
[0015] 在另一个优选的实施方式中，在步骤（3)中，通过所得的二维图像序列中微粒的 二维运动轨迹拟合重构在待测区域内的三维运动轨迹；通过分析图像序列中微粒中的两个 内核投影的重叠与分开频率来确定微粒的自转速度，对微粒自转角度的分辨精度为90度。
[0016] 在另一个优选的实施方式中，所述方法同时测试了液体旋流场中微粒围绕旋流场 几何中心的公转运动和围绕其自身瞬时轴的自转运动；液体旋流场的最大切向速度不大于 10m/s〇
[0017] 另一方面，本发明提供了一种液体旋流场中微粒自转的同步高速摄像装置，该装 置包括：
[0018] 提供待测液体旋流场的旋流分离实验装置；
[0019] 进行同步测试的两台或更多台高速摄像机；
[0020] 提供照射待测液体旋流场的光的冷光源；
[0021] 高速摄像机的同步触发器；
[0022] 高速摄像机控制与数据存储的计算机。
[0023] 在一个优选的实施方式中，所述旋流分离实验装置是一个循环系统，包括：用于装 存液体的储液罐，与储液罐相连的用于液体增压的涡流泵，涡流泵出口分为两路，一路流体 经回流阀返回储液罐，一路经流量阀和加粒接头后进入测试用微旋流器，从微旋流器顶部 和底部出来的流体均返回储液罐；其中，所述微旋流器的进口压力为0. 1-0. 3MPa，液体温 度不高于50°C，公称直径不大于40mm，表面纯净。
[0024] 在另一个优选的实施方式中，所述加粒接头内置针头，测试微粒由针头从微旋流 器进口注入旋流场。
[0025] 在另一个优选的实施方式中，采用两台高速摄像机，其中一台高速摄像机的拍摄 帧频不低于8000fps，最小曝光时间不大于1微秒，分辨率不低于800X600 ;另一台高速摄 像机的拍摄帧频不低于2000fps，最小曝光时间不大于1微秒，分辨率不低于800X600 ;所 述高速摄像机采用微距镜头。
[0026] 在另一个优选的实施方式中，所述冷光源是大功率白光冷光源，发光色温为 5500?8000K，光通量不小于12000Lm。
【专利附图】
【附图说明】
[0027] 根据结合附图进行的如下详细说明，本发明的目的和特征将变得更加明显，附图 中：
[0028] 图1是根据本发明一个实施方式的内包直径相等、中心对称分布两个内核的透明 或半透明微粒的自转运动判别方法示意图，其中A为正视图，B为俯视图。
[0029] 图2是根据本发明一个实施方式的利用两台正交布置的高速摄像机测试液体旋 流场中微粒自转的原理示意图。
[0030] 图3是根据本发明另一个实施方式的利用两台正交布置的高速摄像机测试液-固 微旋流器内微粒自转的装置示意图。
[0031] 图4是根据本发明一个实施方式的提供液体旋流场的光学石英玻璃微旋流器的 结构示意图。
【具体实施方式】
[0032] 本申请的发明人在经过了广泛而深入的研究之后发现，在液-固微旋流器内颗粒 除了围绕旋流场中心做宏观的公转运动，也存在围绕其自身瞬时轴的自转运动；但因旋流 器内流场特别复杂，颗粒处于高速运动，普通颗粒旋转难以分辨，因此测试旋流场内微粒的 自转运动存在很大难度。针对以上存在的问题，发明人从提高颗粒自转辨识度出发，并结合 同步高速摄像技术，利用立体高速数字摄像技术同步测试旋流场中微粒公转运动与自转运 动，从而完成了本发明。
[0033] 本发明的技术构思如下：
[0034] 利用直径相等、中心对称布置两个内核的透明或半透明微粒和同步高速摄像系统 组合测试液体旋流场中微米级颗粒的自转速度。测试方法包括：以直径相等、中心对称布置 两个内核的透明或半透明微粒作为自转测试颗粒；采用正交布置的两台高速摄像机同步获 取液体旋流场中微粒运动的两组二维图像序列；通过两组同步图像序列重构微粒三维运动 轨迹，同时获得微粒在旋流场中的自转速度。
[0035] 在本发明的第一方面，提供了一种测试液体旋流场内微粒自转的同步高速摄像方 法，该方法包括 ：
[0036] (1)以包含直径相等、中心对称布置两个内核的透明或半透明微粒作为自转测试 颗粒；
[0037] (2)采用正交布置的两台高速数字相机同步获取液体旋流场中微粒运动的两组二 维图像序列；
[0038] (3)通过两组同步图像序列中微粒二维运动重构微粒三维运动轨迹，同时获得微 粒在旋流场中的自转速度。
[0039] 较佳地，所述测试颗粒的外壳应为透明或半透明球形颗粒，直径小于500微米，且 有高单分散性，即变形系数（CV值）小于5%;两个内核颗粒应直径相等、中心对称分布、深 色不透明。
[0040] 在本发明中，通过两组同步图像序列中微粒的二维运动轨迹拟合重构在待测区域 内的三维运动轨迹。
[0041] 在本发明中，通过分析二维图像序列中微粒中的两个内核投影的重叠与分开频率 来确定微粒的自转速度，测试颗粒自转角度的分辨精度为90度，一般情况下取再次内核重 叠之间的图像序列来计算微粒自转速度。
[0042] 较佳地，所述两台高速数字相机正交布置，且同步拍摄误差不超过10微秒，优选 不超过5微秒，拍摄视场景深不小于旋流场直径的20%。
[0043] 较佳地，所述液体旋流场的最大切向速度不大于10m/s。
[0044] 本发明的方法同时测试了液体旋流场中微粒的围绕流场几何中心的公转运动和 围绕其自身瞬时轴的自转运动。
[0045] 在本发明的第二方面，提供了一种测试液体旋流场内微粒自转的同步高速摄像装 置，该装置包括：
[0046] 提供待测旋流场的旋流分离实验装置，两台可同步测试的高速数字相机，提供强 白光的大功率冷光源，高速数字相机同步触发器，以及测试控制与数据存储的计算机。
[0047] 在本发明中，旋流分离实验装置是一个循环系统，其包括一个用于装存液体的储 液罐，与储液罐相连的用于液体增压的涡流泵，涡流泵出口分为两路，一路流体经回流阀返 回储液罐，一路经流量阀和加粒接头后进入光学石英玻璃微旋流器，从微旋流器顶部和底 部出来的流体均返回储液罐；在微旋流器进口和两个出口均设置压力表，在其进口和顶部 出口还设置有流量计和控制阀。具体测试步骤如下：
[0048] (i)启动旋流分离实验装置涡流泵，调节流量阀和回流阀使光学石英玻璃微旋流 器达到测试工况条件；
[0049] (ii)开启大功率白光冷光源，强光照射旋流场待测区域；
[0050] (iii)向加粒器填装测试颗粒，并向微旋流器进口释放颗粒；
[0051] (iv)触发同步触发器，两台高速数字相机同步拍摄微粒运动；
[0052] (V)高速数字相机图像数据向计算机传输并存储。
[0053] 较佳地，所述加粒器设置在石英玻璃微旋流器的进口前，通过两个开关阀控制加 粒与释放测试微粒。
[0054] 较佳地，所述两台高速数字相机正交分布，其中一台高速数字相机的拍摄巾贞频达 到8000fps以上，最小曝光时间为1微秒及以下，分辨率达到800X600或更高；另一台高速 数字相机的拍摄帧频达到2000fps以上，最小曝光时间为1微秒以下，分辨率达到800X600 或更1?。
[0055] 较佳地，所述高速数字相机采用微距镜头。
[0056] 较佳地，所述高速数字相机采用一个同步触发器外部触发。
[0057] 较佳地，所述大功率白光冷光源发光色温为5500?8000K，光通量为12000Lm以 上，以使颗粒成像清晰。
[0058] 较佳地，所述微旋流器的进口压力为0· lMPa-0. 3MPa，液体温度不高于50°C。
[0059] 较佳地，所述石英玻璃微旋流器的公称直径不大于40mm，表面纯净。
[0060] 较佳地，所述旋流分离实验装置采用输出波动较小的涡流泵，采用流量阀与回流 阀协调控制，提高进入微旋流器的流量调节精度，以减少流量波动，使光学石英玻璃微旋流 器内旋流场稳定。
[0061] 较佳地，所述加粒接头内置一根内径为1. 5mm的不锈钢针头，测试微粒由针头向 微旋流器进口注入旋流场。
[0062] 以下根据附图详细说明本发明的方法和装置。
[0063] 图1是根据本发明一个实施方式的内包直径相等、中心对称分布两个内核的透明 或半透明微粒的自转运动判别方法示意图，其中A为正视图，B为俯视图。如图1所示，根 据微粒内两个内核投影的重叠与分开来判别颗粒的转动，其中，颗粒转动角度的分辨精度 为90度，η为微粒自转运动照片序列中两个内核重叠与分开次数。
[0064] 图2是根据本发明一个实施方式的利用两台正交布置的高速摄像机测试液体旋 流场中微粒自转的原理示意图。如图2所示，旋流场中自转测试颗粒的自转运动主要受流 场切向速度U t影响，根据切向速度分布特征和颗粒在旋流场中的位置关系，可确定颗粒自 转方向与流体旋转方向相反；其中颗粒自转速度《 se;1的计算方法如下：
[0065] ω sel = θ / τ (1)
[0066] θ = η π /2 (2)
[0067] τ = m/f (3)
[0068] 式中，θ为微粒自转角度，η为高速摄像机2-1拍摄的一组照片序列中颗粒两个内 核重叠与分开次数，τ为记录颗粒转动时间，m为记录颗粒自转运动照片数量，f为高速摄 像机拍摄帧频；
[0069] 根据高速摄像机2-1拍摄的照片可确定颗粒坐标y与z ;根据高速摄像机2-2拍 摄的照片可确定颗粒坐标X与Z，将最大X值定义为待测区域内颗粒自转瞬时公转半径r， 因此可确定颗粒在待测区域内的近似运动轨迹；其中颗粒公转速度的计算方法如下：
[0070] ω rev = ( a f/2 π ) X 60 (4)
【权利要求】
1. 一种液体旋流场中微粒自转的同步高速摄像方法，该方法包括以下步骤： (1) 选择直径相等、中心对称布置两个内核的透明或半透明微粒作为自转测试颗粒； (2) 采用两台或更多台高速摄像机同步获取液体旋流场中微粒运动的二维图像序列； (3) 通过所得的二维图像序列重构微粒三维运动轨迹，同时获得微粒在旋流场中的自 转速度。
2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤（1)中，选择的自转测试颗粒的外壳 为透明或者半透明球形，内包两个深色、直径相等、中心对称布置的内核，直径小于500微 米，并且变形系数小于5%。
3. 如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤（2)中，采用两台正交布置的高 速摄像机，其同步拍摄误差小于10微秒，拍摄视场景深不低于旋流场直径的20%。
4. 如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤（3)中，通过所得的二维图像序 列中微粒的二维运动轨迹拟合重构在待测区域内的三维运动轨迹；通过分析图像序列中微 粒中的两个内核投影的重叠与分开频率来确定微粒的自转速度，对微粒自转角度的分辨精 度为90度。
5. 如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法同时测试了液体旋流场中微粒 的围绕旋流场几何中心的公转运动和围绕其自身瞬时轴的自转运动；液体旋流场的最大切 向速度不大于l〇m/s。
6. -种液体旋流场中微粒自转的同步高速摄像装置，该装置包括： 提供待测液体旋流场的旋流分离实验装置； 进行同步测试的两台或更多台高速摄像机； 提供照射待测液体旋流场的光的冷光源（3); 高速摄像机的同步触发器（4); 高速摄像机控制与数据存储的计算机（5)。
7. 如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述旋流分离实验装置是一个循环系统，包 括：用于装存液体的储液罐（1-1)，与储液罐（1-1)相连的用于液体增压的涡流泵（1-2)， 涡流泵（1-2)出口分为两路，一路流体经回流阀（1-3-2)返回储液罐（1-1)，一路经流量阀 (1-3-1)和加粒接头（1-4-3)后进入测试用微旋流器（1-5)，从微旋流器（1-5)顶部和底部 出来的流体均返回储液罐（1-1);其中，所述微旋流器（1-5)的进口压力为0.1-0. 3MPa，液 体温度不高于50°C，公称直径不大于40mm，表面纯净。
8. 如权利要求6或7所述的装置，其特征在于，所述加粒接头（1-4-3)内置针头，测试 微粒由针头从微旋流器（1-5)进口注入旋流场。
9. 如权利要求6或7所述的装置，其特征在于，采用两台高速摄像机（2-1)、（2-2)，其 中一台高速摄像机的拍摄帧频不低于8000fps，最小曝光时间不大于1微秒，分辨率不低于 800X600 ;另一台高速摄像机的拍摄帧频不低于2000fps，最小曝光时间不大于1微秒，分 辨率不低于800X600 ;所述高速摄像机采用微距镜头。
10. 如权利要求6或7所述的装置，其特征在于，所述冷光源（3)是大功率白光冷光源， 发光色温为5500?8000K，光通量不小于12000Lm。
【文档编号】G01M10/00GK104062091SQ201410323142
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年7月8日 优先权日:2014年7月8日
【发明者】黄渊, 汪华林, 邱阳, 付鹏波, 张艳红, 白志山, 杨强, 何凤琴 申请人:华东理工大学