[发明专利]微小通道气液两相流空隙率测量装置及方法

权利要求书

1.一种微小通道气液两相流空隙率测量装置，其特征在于，它包括：拍摄管道（1）、闪光灯（2）、高速摄像机（3）和计算机（4）等；高速摄像机（3）置于拍摄管道（1）一侧，闪光灯（2）置于拍摄管道（1）另一侧，与高速摄像机（3）相对；闪光灯(2)与高速摄像机(3)连接，高速摄像机(3)与计算机（4）连接。

2.一种应用权利要求1所述装置的微小通道气液两相流体积平均空隙率测量方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

（1）拍摄管道（1）内通入纯水，高速摄像机（3）拍摄拍摄管道（1）内纯水的图像作为背景图像；

（2）拍摄管道（1）内通入气液两相流，高速摄像机（3）拍摄拍摄管道（1）内气液两相流动的灰度图像；

（3）对步骤2拍摄的灰度图像进行预处理，使灰度图像转变为二值图像；该步骤包括如下子步骤：

（3.1）将步骤2拍摄的灰度图像与步骤1拍摄的背景图像相减，以消除灰度图像背景和拍摄管道（1）的管壁的影像；

（3.2）对步骤3.1输出的相减后的灰度图像进行中值滤波，降低拍摄的灰度图像由于摄像机传感器或者环境等外界因素的影响而产生的椒盐噪声；

（3.3）使用边缘检测器检测步骤3.2输出的中值滤波后的灰度图像的气相介质的边缘；

（3.4）对步骤3.3输出的边缘检测后的图像进行填充，将图像中的气相介质区域以灰度值“1”进行填充，得到二值图像；

（4）针对步骤3输出的二值图像，根据流型采用对应的微小通道气液两相流空隙率模型进行体积平均空隙率计算；该步骤具体为：

微小通道气液两相流体积平均空隙率测量方法中空隙率模型包括段塞流、泡状流、层状流、波状流和环状流空隙率模型；

设拍摄的图像中，管道长度为M个像素，管道的直径长度为D个像素，图像的每个正方形像素实际边长为                                                mm，则管道的体积；

五种空隙率模型如下：

（4.1）微小通道段塞流空隙率模型：设段塞流图像中共有n个气塞，第k个气塞的长度为l_k个像素，第k个气塞的第i个像素处横截面的高度为d(k,i)个像素，则采用积分的原理，整个管段内气体的总体积V_g为：

；                       

则在管段内段塞流体积平均空隙率为：

                        ；                         

由于气水两相流体积平均空隙率的随机波动性和测量过程中的其他随机因素的影响，需要取多张图片的空隙率计算值的平均值，所以这里取摄像机连续拍摄的N张图像计算每张图像的体积平均空隙率，然后取平均值作为该实验条件下段塞流的体积平均空隙率的值，即：

             ；                             

（4.2）微小通道泡状流空隙率模型：设泡状流图像中共有n个气泡，第k个气泡的长度为l_k个像素，第k个气泡的第i个像素处横截面的高度为d(k,i)个像素，则采用积分的原理，整个管段内气体的总体积V_g为：

                            ；                   

则在管段内泡状流体积平均空隙率为：

                    ；                           

取摄像机连续拍摄的N张图像计算每张图像的体积平均空隙率，然后取平均值作为该实验条件下泡状流的体积平均空隙率的值，即：

                     ；                                  

（4.3）微小通道层流空隙模型：设所拍摄的层状流图像长度为M个像素，管道直径为 D，第i个像素处横截面高度为h_i，则采用积分的原理，在层状流图像内气体的总体积V_g为： 

           ；     

则在管段内层状流体积平均空隙率为：

    ；   

取摄像机连续拍摄的N张图像计算每张图像的体积平均空隙率，然后取平均值作为该实验条件下层状流的体积平均空隙率的值，即：

                                  ；                          

（4.4）微小通道波状流空隙率模型：设所拍摄的波状流图像长度为M个像素，管道直径为 D，第i个像素处横截面的高度为h_i，则在管段内气体的总体积V_g为：

           ；  

则在管段内波状流体积平均空隙率为：

；   

取摄像机连续拍摄的N张图像计算每张图像的体积平均空隙率，然后取平均值作为该实验条件下层状流的体积平均空隙率的值，即：

                           ；                            

（4.5）微小通道环状流空隙率模型：设所拍摄的环状流图像长度为M个像素，设环状流图像中气相介质的第i个像素处横截面的高度为d_i个像素，则忽略管道中气相夹带的液滴后，管段内气体的总体积V_g为：

                    ；                       

则在管段内环状流体积平均空隙率为：

                    ；                          

取摄像机连续拍摄的N张图像计算每张图像的体积平均空隙率，然后取平均值作为该实验条件下波状流的体积平均空隙率的值，由于忽略管道中气相夹带的液滴，计算的空隙率理论上将会比实际空隙率偏大，因此可以采用经验修正系数来修正计算的空隙率；即：

                    ；                              

其中，M、D、N、n、k、l_k、i、d_i、d(k,i)均为自然数。