PIV技術應用于氣液兩相流的研究現狀

蘇 瑩

（東北石油大學石油工程學院，黑龍江大慶 163000）

PIV技術應用于氣液兩相流的研究現狀

蘇 瑩

（東北石油大學石油工程學院，黑龍江大慶 163000）

PIV粒子圖像測速技術是一種瞬態、全場量測技術，廣泛地應用于各種復雜的流動。PIV氣液兩相流測量技術比單相PIV技術復雜，目前PIV兩相流技術的發展還在起步階段。針對PIV氣液測量中相分離以及兩相粒子成像問題進行了討論，并提出相應解決方法。

PIV；氣液兩相；相分離；兩相粒子成像

PIV粒子圖像測速技術主要是通過在流場中放入示蹤粒子，用粒子速度來表示流場中對應位置的流體速度。PIV 粒子圖像測速技術能夠測出流場的物理形態，也可以提供流場流動的瞬態定量信息，對流動流場的研究起到了關鍵性作用。單相PIV測量技術已接近成熟，廣泛地應用于各種復雜的流動，PIV氣液兩相流測量技術比單相PIV技術復雜，PIV兩相流技術的發展還在起步階段，本文針對PIV氣液測量中相分離以及兩相粒子成像問題進行了討論，并提出相應解決方法。

1 區分不同相的粒子圖像以及相分離方法

氣液兩相流 PIV 測量技術難點是如何把不同相的粒子圖像區別出來[1]。這就要求不僅要測量出同一相粒子在一定時間段內的位移，還要把不同相的粒子分離開來。在PIV實驗中，不同相的粒子信息同時存在于同一個圖像中，因為離散相和連續相的運動差別較大，離散相的四周會存在偽矢量。這時得到的速度會受到兩種相信號的影響[2]。

1.1 熒光標記法

在氣泡流動中主要使用熒光標記法，該方法是用熒光粒子標記液相粒子，在激光照射時，熒光粒子反射出和激光不同顏色的光，而氣相粒子發射的光顏色與原來相同，從而根據顏色不同來完成氣液分離。氣液兩相分離后，應用單相 PIV測速技術分別測得氣液兩相的流速場。世界上著名的 PIV 設備生產公司丹麥的Dantec和美國的TSI公司都使用了熒光標記法完成了氣泡流動的測量[3]。

1.2 亮度分辨法

該方法根據離散相氣相粒子和連續相示蹤粒子的成像灰度級的不同完成兩相分離。為了避免兩相的互相干擾，連續相示蹤粒子的最大散射橫斷面必須比離散相粒子的散射橫斷面大一個數量級。在選擇了合理的示蹤粒子情況下，該技術也必須經過耐心的調整優化成像，從而消除相間的干擾，使兩相粒子的灰度級差達到最大。氣液兩相分離后，應用單相PIV測速技術分別測得氣液兩相的流速場[4]。

1.3 粒徑分辨法

該方法根據離散相氣相粒子和連續相示蹤粒子之間顆粒大小的不同來完成相分離。采用該方法時，要求先對原始 PIV圖像做二值化處理，讓連續相示蹤粒子及離散相變成白色的亮點（區域），然后從圖像中分離出來，通過算出這些亮點區域的面積，選擇一個合適的閾值把代表不同相的粒子分離出來。所以該方法要求相間粒子的粒徑差別要盡量大，以便減少誤判斷點，氣液兩相分離后，應用單相 PIV測速技術分別測得氣液兩相的流速場[5]。

1.4 中值濾波法

針對兩相PIV既有連續相圖像又有離散相圖像的情況，既包含有小的連續相示蹤粒子又有大的離散相顆粒（或氣泡），Kiger等[6]采用二維中值濾波非線性信號處理技術，它可以很好地除去隨機噪聲。Kiger將示蹤粒子視為背景上均勻分布的噪聲，利用中值濾波方法將分散相顆粒的圖像從示蹤粒子的圖像中分離，濾波后得到離散相圖像。原始圖像除去離散相圖像得到連續相的圖像。應用單相 PIV測速技術分別測得氣液兩相的流速場。

1.5 雙參數相分離法

雙參數相分離法利用粒子的亮度和尺寸兩個參數信息來完成相分離[7]。該方法要求先計算示蹤粒子以及離散相粒子的亮度和尺寸，把亮度和尺寸作為縱橫坐標，制作亮度-尺寸圖，根據亮度-尺寸圖分別判斷連續相和離散相的置信區間（亮度和尺寸的范圍），此置信區間把所有粒子分成連續相和離散相顆粒兩類，分離后進行求解每相的速度。此方法在已知球形粒子尺寸范圍的條件下，在氣固兩相流的流場中可以得到較好的效果。但由于氣泡在成像時不是一個實體，所以此方法對氣液兩相流不一定獲得很好的效果。

2 兩相粒子的成像問題

2.1 示蹤粒子的光學性能

若標記兩相粒子的示蹤粒子光學性能大致相同，可以依據粒子直徑的大小區分兩相粒子。但是如果標記兩相粒子光學性能不同，也可依據灰度來區別兩相的粒子。若反光強度差距大，則區分粒子較容易。但如果差距太大，就無法在同一個光學條件下取像，造成其中一相粒子取像清晰，另外一相粒子取像模糊的情況，這時就要利用特殊的光學鏡頭進行處理調試，分別取像后再合成在一起。

2.2 示蹤粒子的密度

由于兩相粒子密度不同，在水平取像時，密度大的粒子會跑出片光的照射范圍，因此會導致示蹤粒子的相關點無法找到，所以在兩相測量時在重力方向上更容易取像。

2.3 示蹤粒子的濃度

在兩相PIV試驗中，還要考慮粒子的濃度問題。濃度較大或者較小都會對測量造成影響。在濃度較大時，粒子像會堆積在一起，激光作為干涉光，因此在底片上會出現激光散斑卻不是獨立粒子像。即使利用激光散斑能夠測出散斑場的位移，可是對于流場來說，因為散斑場的穩定性問題，很難測出散斑場位移。在粒子濃度較低時，由于粒子對的數目較少，導致無法得到較多點的流速，也就無法準確測出流速分布。

3 結束語本文提出了 PIV氣液兩相流測量技術中存在的問題，對區分不同相的粒子圖像以及相分離方法和兩相粒子的成像問題做出了分析，給出了各種相分離方法的優點及不足，為PIV氣液兩相流測量在相分離和兩相粒子的成像問題方面提供了建議。

[1] Oakley T R，Loth E，Adrian R J.A Two-Phase Cinematic PIV Method for Bubbly Flows[J].Journal of Fluids Engineering，1997，（119）：707-712.

[2] Wolfgang Merzkirch，Lichuan gui.PIV in multiphase flow[A]. Proceedings of the second international workshop on PIV97-Fukui，July 8-11，Fukui，Japan.165-172.

[3] Tokuhiro A，Maekawa M，Iizuka K，Hishida K，Maeda M.Turbulent flow past a bubble and an ellipsoid using shadow image and PIV techniques[J].International Journal of Multiphase Flow，1998，（24）：1383-1406.

[4] Esson W J and Jakobsen M L.Slippage measurements in two-phase flows using particle image Velocimetry[A].Institute of Physics Optical Group Half Day Conference Optics and Optical Diagnostics in Combustion（London），February 1996.

[5] 王希麟，張大力，常轍，等.兩相流場粒子成像測速技術（PTV-PIV）初探[J].力學學報，1998，30（1）：121-125.

[6] Kiger K T and Pan C.PIV technique for the simulataneous measurement of dilute two-phase flows[J].Journal of Fluids Engineering，2000，（122）：811-818.

[7] Khalitov D A，Longmire E K.Simultaneous two-phase PIV by twoparameter phase discrimination[J].Experiments in fluids，2002，（32）：252-268.

Research Advances of PIV in GasLiquid Phase Flow

Su Ying

PIV particle image velocimetry is a transient and full field measurement technology，widely used in all kinds of complex PIV flow，gas-liquid two-phase flow measurement technology is more complex than the single-phase PIV technology，the development of the PIV two-phase flow technology is still in the initial stage，the PIV in the measurement of phase separation and gas-liquid twophase particle image are discussed and put forward the corresponding solutions.

PIV；gas liquid two phase flow；phase separation；two-phase particle imaging

O359.1

B

1003–6490（2017）05–0028–02

2017–04–06

蘇瑩（1993—），女，黑龍江綏化人，碩士在讀，主要研究方向為油氣儲運工程。