基于圖像法的氣液兩相稀疏泡狀流氣泡參數分析

周云龍，周紅娟，宋連壯，劉 倩

（1．東北電力大學能源與機械工程學院，吉林 吉林132012；

2．東北電力大學自動化工程學院，吉林 吉林132012；

3．中水北方勘測設計研究有限責任公司機電處，天津300222；

4．滁州職業技術學院機電系，安徽 滁州239000）

氣泡廣泛存在于動力、化工、核能、石油、冶金等領域。氣泡運動規律對許多工程應用問題也就有著重要的影響，氣泡的尺寸以及尺寸分布常常決定著兩相流體的流動結構和運動規律，甚至影響兩相流系統的總體性能。例如，在核反應堆中，氣液兩相流的空泡份額對核反應堆功率的穩定、堆內流動和傳熱特性以及安全運行都會產生很大的影響，同時，氣泡尺寸對空泡份額的分布具有極其重要的作用［1］。

近幾年，隨著數字圖像技術的快速發展，圖像法被廣泛地用于氣泡運動特性的研究。王紅一等［2］對矩形有機玻璃管靜止水中不同直徑氣泡的運動規律進行了總結；周云龍等［3］采用圖像處理方法對垂直管中容積含氣率進行了測量；張建生等［4］采用高速攝影技術對氣泡上升過程速度的變化進行了研究；程文等［5］采用圖像分析方法對氣液兩相流中氣泡的速度進行了研究。

本文以圖像處理為基礎對垂直上升管中的稀疏氣泡的各種特征參數進行較全面的提取與分析，另外對單氣泡上升過程的運動變化進行了研究。這對于更深層次的研究兩相流體的流動結構和運動規律具有重要的實際意義。

1 實驗

本實驗的實驗系統結構如圖1所示。實驗系統主要包括流體控制實驗臺和圖像采集系統。

圖1 實驗裝置與圖像采集系統Fig．1 Experimental facility and image acquisition system

1．1 流體控制實驗臺

流體控制實驗臺主要包括空壓機、水泵、流量計、混合器、透明測試管以及分離器。整個系統的運轉過程是由空壓機升壓后的空氣與水泵抽出的水先經過氣液混合裝置混合，然后流經透明測試管進行圖像的采集，接著進入旋風分離器，將空氣與水分離出來。本實驗透明測試管選用內徑50 mm，長為2 m的透明有機玻璃管。

1．2 圖像采集系統

圖像采集系統主要包括照明系統和高速攝影系統。其中高速攝影系統采用Speed Cam Visario系統，此系統是由瑞士WEINBERGER公司研發的，其最大分辨率為1 536×1 024，最大幀頻可以達到10 000幀／s，能夠清晰地拍攝到垂直管中氣泡的運動圖像。本實驗拍攝范圍是垂直玻璃管上方950～1 060 mm的空間區域，此處采集圖像大小為1 536×1 024，幀頻為1 000幀／s的氣泡運動圖像。

基于高速攝影機對光線的亮度的要求，光源選用的是6 400 K色溫的三基色光管，光線明亮無閃爍。采用逆光照射，拍攝垂直上升管中氣泡的運動圖像。為了使光線分布均勻，獲取較滿意的氣泡圖像，可以在拍攝區域的后側有機玻璃管上，蒙上兩層繪圖用的硫酸紙［6］。拍攝到此圖片時氣體溫度為29．65℃，水的流量為10 m3／h，空氣流量在0．05 m3／h。

2 圖像處理

為了更好地跟蹤稀疏氣泡的變化規律，首先對拍攝的圖像進行氣泡的截取。如圖2（a）所示的是截取后的氣泡運動圖像，圖像像素大小為310×310。由于實驗系統中透明有機玻璃管的潔凈度以及光照的均勻性，都會影響拍攝圖像的質量，所以要對圖像進行前期處理來提高氣泡識別的準確率。

針對原始圖像中灰度對比度較低的問題，本文中采用非線性變換來對圖像進行灰度拉伸［7］，拉伸函數如式（1）所示

式中：r表示輸入圖像的灰度值，s是輸出圖像中的相應灰度值，E為控制該函數的斜率。拉伸后的圖像如圖2（b）所示。然后再利用中值濾波來濾除有機玻璃板上附著的雜質。

圖2 稀疏泡狀流的原始圖像及預處理后圖像Fig．2 Original and gray extend image of bubbly flow

要獲取氣泡的特征參數，首先要進行氣泡的識別，氣泡識別的步驟主要分為氣泡的分割和區域的標定。

2．1 氣泡的分割

本文中圖像分割方法選用的是閾值法，閾值的求取是通過迭代算法求得的；輪廓的提取是采用的形態學運算來實現的［8］。邊緣提取以后，要進行區域的填充，經過邊緣提取和區域填充處理取反以后的效果如圖3（a）和（b）所示。

圖3 經圖像處理后的輪廓圖像Fig．3 Partial outline image by image processing

2．2 氣泡的標定

區域填充后，要提取連通區域的特征，需要對連通區域進行唯一的標記。即為不同的氣泡標記唯一的氣泡編號［9］。

經過上述圖像處理以后，氣泡圖像變得更清晰，為進一步氣泡的面積、周長、直徑等參數的定量分析做好了準備。

3 稀疏氣泡的運動規律分析

3．1 氣泡參數的求取

通過對圖像中氣泡的區域標定，可以識別出圖像中氣泡的個數，并計算出氣泡的以下參數。

（1）氣泡的面積和周長

氣泡的周長參數和面積參數是氣泡運動圖像中最基本的參數。本文面積和周長的檢測算法都是基于像素概念來求取的。對面積的檢測是采用全面統計每個氣泡二值圖像中所包含像素的個數，如果要求取真實面積值，可根據單個像素大小標定的來測量。氣泡周長是由像素的邊組成的，因此通過對氣泡像素周圍四鏈碼方向像素性質的判斷，來確定氣泡周長所包含的像素，然后對符合條件的像素求和，即為氣泡的周長。計算公式如下

Ab和Lb分別為第b個氣泡的面積和周長（b＝1，2，…，N）。

（2）氣泡形心位置的確定

氣液兩相流中的氣泡由于液體黏度的影響以及上升過程中重力的作用，使得氣泡會發生一定程度的形變，這對氣泡的形心確定會產生一定的誤差，因此本文中選用灰度質心［10］來對氣泡進行標定。

（3）氣泡的形變系數

氣泡上升過程中形狀是不斷變化的，形狀上并不是標準的球形，而是近似為球形或扁球形。氣泡運動過程中變形的程度也反映了兩相流動的內在規律，對氣泡的變形程度的研究能更進一步揭示出兩相流的動態過程，本文中用式（5）來衡量氣泡接近球形的程度，形狀參數的定義如下

式中：Lb——圖像中第b個氣泡的周長（b＝1，2，…，N）；Ab——圖像中第b個氣泡的面積（b＝1，2，…，N）。ρb的值與1越接近就表明氣泡越接近球形。

（4）氣泡的等效直徑

由氣泡面積可以求出氣泡的等效直徑［10］，即為具有相同面積的圓形的直徑。計算公式如下式

（5）氣泡速度的測量

氣泡速度的測量是把兩個連續圖像同一氣泡形心間的位移作為氣泡在時間間隔Δt內運動的距離，進而求得運動速度。此時測得的上升速度可以認定為時間間隔內的平均速度，此方法也就是所謂的粒子跟蹤法［12］，由于高速攝像機幀頻較高，時間間隔較短也可看做是氣泡的瞬時速度。該算法主要分為氣泡的識別和氣泡的匹配兩個部分，對于同一個氣泡，在時刻不同的圖像中，用角標b來標記氣泡，用n表示時間。連續兩幀圖像中，氣泡質心位移可以表示為

（6）體積含氣率的計算

要計算兩相流動中含氣率，首先要計算出氣體的體積，也就是所有氣泡目標的體積總和。本文中假設氣泡為球形，那么它的體積可按式（8）計算［3］

式中：Vb——圖像中第b個氣泡的體積（b＝1，2，…，N）；

Ab——圖像中第b個氣泡的面積 （b＝1，2，…，N）。

容積含氣率的計算式可以按式（9）來求

式中：Vb——圖像中第b個氣泡的體積（b＝1，2，…，N）；N——圖像中氣泡總數；V——圖像對應實驗段的體積。

式中：L、H——拍攝圖像的寬度和高度（按像素計算）。

3．2 氣泡參數的分析

對氣泡的以上參數進行分析，我們可以深入了解流體中氣泡的變化趨勢以及變化規律。本文主要對氣泡的形變參數、上升速度、含氣率等幾個主要參數進行了研究，氣泡相關特征參數如表1所示。

表1 圖像中氣泡的特征參數Table 1 The characteristic parameters of bubble in the image

從表1中可以看出，氣泡的形狀參數在1．09～1．51之間，形狀近似球形。對不同時刻的氣泡圖像采用式（9）計算容積含氣率，求得當前工況下ρ在0．41%～0．45%之間。氣泡的上升速度如圖4所示。

圖4 上升過程中氣泡速度變化曲線Fig．4 Velocity variation of rising bubble

由圖4可知，氣泡在上升過程中速度曲線呈現一定上下波動，但是各個氣泡的速度值變化幅度不大，主要是由上升過程中氣泡的受力不均勻造成的。氣泡的旋轉以及面積的變化都會對速度造成一定的影響。其中氣泡5較之其他四個氣泡速度較低，原因是由與此氣泡在上升過程中出現了輕微的貼壁現象，增加了氣泡的阻力，進而速度偏低。由此可知在氣泡上升過程中速度的大小會受到氣泡的大小、位置等因素的影響。

4 單氣泡上升規律的研究

為了更深入地了解氣泡的運動特性，本文對單個氣泡的上升過程也進行了跟蹤研究，主要是觀察氣泡的上升規律以及上升過程中速度的變化趨勢。圖5是拍攝的單氣泡上升過程，圖像截取大小為310×900像素，時間間隔為10幀。

圖5 氣泡上升圖像序列Fig．5 Sequences of rising image of single bubble

由圖6可知，氣泡的面積在上升過程中呈現遞減趨勢，結合圖5原因是由于氣泡在上升的同時還發生了氣泡的旋轉，由于此氣泡本身不是規則的圓形，故氣泡面積會出現面積的波動，如果延長觀測區域會看到氣泡面積在減小到一定程度以后會逐漸增大。

圖6 氣泡上升過程中面積的變化曲線Fig．6 Area variation of rising bubble

圖7為氣泡的形心位置變化曲線，氣泡以縱向運動為主，同時由于氣泡左右兩邊受到壓力的不同，在橫向上也會發生運動。結合對整個實驗段的觀察可知氣泡的運動軌跡是搖擺上升。這和文獻［2］的研究結論一致。

圖7 氣泡形心位置變化Fig．7 Centroid variation of bubble

5 結論

采用數字圖像處理的方法對垂直上升管中稀疏氣泡的參數進行分析研究，得出以下結論：

（1）采用圖像法能很好地提取氣泡的周長、面積、形變因數等特征參數，為氣泡行為的分析奠定了基礎。

（2）氣泡的速度變化幅度不太大，形變因數與氣泡面積都對氣泡的速度有較大影響；位于管中間位置的氣泡速度變化幅度明顯，震蕩幅度比較大；位置近管壁的氣泡的速度值與其他氣泡相比要小得多。

（3）氣泡的面積呈振蕩型遞減趨勢而后又逐漸開始增大。

（4）氣泡呈搖擺上升，這主要是由于氣泡在液體中左右兩側受力不均，但氣泡搖擺的幅度不大。

［1］ 趙弘，周瑞祥．基于Leyenberg-Marquard算法的神經網絡監督控制［J］．西安交通大學學報，2002，36（5）：523-527．

［2］ 王紅一，董峰．基于高速攝影的水中氣泡運動特性的研究［C］．中國工程熱物理學會2008多相流學術會議論文，2008．

［3］ 周云龍，尚秋華，范振儒．氣液兩相流容積含氣率的圖像檢測方法［J］．熱能動力工程，2008，23（5）：507-511．

［4］ 張建生，呂青，孫傳東．高速攝影技術對水中氣泡運動規律的研究［J］．光子學報，2000，29（10）：952-955．

［5］ 程文，宋策，劉文洪．氣液兩相流中氣泡速度的圖像處理［J］．工程熱物理學報，2009，30（1）：83-86．

［6］ 周云龍，李洪偉，陳飛．基于圖像輪廓特征和粒子群優化神經網絡的氣液兩相流流型識別［J］．吉林大學學報（工學版），2009，39（3）：673-678．

［7］ 阮秋琦．數字圖像處理［M］．北京：電子工業出版社，2005，48-49．

［8］ Gonzalez R C，Woods R E．Digital Image Processing［M］．2nd ed．Upper Saddle River：Prentice Hall，NJ，2002．

［9］ 周云龍，范振儒．流化床氣固稀相流動體積空隙率的圖像檢測方法［J］．化學反應工程與工藝，2009，25（5）：431-436．

［10］ 張明亮，陳剛，許聯峰．水汽兩相流中稀疏氣泡流動速度場的數字圖像測量初探［J］．力學季刊，2006，25：208-212．

［11］ 楊華東．顆粒測試的圖像處理［D］．南京：南京工業大學．2005．

［12］ Guezennec Y G，Brokey R S．Algorithms for fully automated there-demensional particle tracking velocimetry［J］．Experiment in Fluids，1994，17：209-219．