气液两相流气泡羽流图像处理及其运动规律的研究

论文摘要

气泡广泛存在于各领域。流体中裹挟气泡,其工程流动性能就发生了变化。研究水中气泡的运动规律对于生产实际有重要意义。曝气是常用的工程措施,气泡羽流是曝气过程中产生的复杂的两相流动。目前大多学者在曝气设备的改进上做了大量的工作,但对曝气装置中气液两相流的运动规律、气相与液相之间的传质机理了解不多,因此,研究气泡羽流结构形态变化对于提高曝气效率、拓宽气泡羽流的应用范围是非常重要的。本文在前人研究的基础上继续采用粒子图像测速技术来研究气液两相流动变化,并进一步研究了逆解析方法。所做的工作有：在总结前人研究的基础上研究了基于灰度互相关的RCC-PIV测速算法；研究了图像处理方法,总结了几种图像阈值分割的优缺点,采用大津法（Otsu’s method）对图像进行阈值分割；在实验研究的基础上,进一步研究了曝气装置中气泡羽流在不同工况下的流动情况；研究了水中气泡在上升过程的影响因子,将气液两相的速度考虑到气泡迁移运动方程的阻力系数中,使用逆解析获得的液相速度,与泰勒格林涡和E-E模型中的速度进行互相关校验,并与前人所做研究进行了对比。本文得到的结论有：（1）阈值分割对图像进行二值化后,有效的减少了噪声对流场的影响；基于灰度互相关的四次回归算法（RCC-PIV）克服了基于快速傅立叶变换在流速梯度较大的区域较易产生错误矢量的难题,使用这些方法提高了PIV技术计算流场的精度。（2）影响曝气装置中气泡羽流运动形态的变化的因素包括：压强、空隙率和纵横比。其中空隙率和纵横比是造成气泡羽流不稳定结构的主要原因。当空隙率较大,纵横比为1.0时,气泡羽流呈现“冷却塔”式的结构,涡旋结构对称稳定,旋度较大,氧气与水的接触时间和接触面积增大,有利于提高曝气效率。（3）将气液两相的速度考虑到阻力系数中后,逆解析得到的液相速度场的精度有所提高,互相关最大值由前人研究得到的0.91提高到现在的0.942,但提高幅度不大,需要进一步的研究以提高计算精度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 气液两相流气泡羽流的研究进展
• 1.3 水中气泡迁移运动的研究进展
• 1.4 测速算法方面的研究进展
• 1.5 本文的主要研究内容
• 1.5.1 已完成工作的评价
• 1.5.2 研究的主要内容
• 2 分散相流场信息的获取
• 2.1 流场图像预处理
• 2.1.1 图像分割
• 2.1.2 大津法（Otsu's method）
• 2.1.3 图像的二值化处理
• 2.2 气相速度场获取
• 2.2.1 PIV测速技术的原理
• 2.2.2 气相速度场的测定
• 2.3 其它流场信息的获取
• 3 气泡羽流运动规律的研究
• 3.1 气液两相流流动的基本参数
• 3.2 实验设备及实验条件
• 3.2.1 实验设备
• 3.2.2 实验条件
• 3.3 结果及分析
• 3.3.1 压强对气泡羽流运动规律的影响
• 3.3.2 空隙率对气泡羽流运动规律的影响
• 3.3.3 纵横比对气泡羽流运动的影响
• 4 逆解析液相速度场及验证
• 4.1 基本方程
• 4.2 求解逆解析方程
• 4.2.1 相关参数讨论
• 4.2.2 逆解析方程求解
• 4.3 逆解析程序校验
• 4.3.1 泰勒-格林涡验证逆解析
• 4.3.2 E-E（双流体模型）验证逆解析
• 5 结论及建议
• 5.1 结论
• 5.2 建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录