[发明专利]一种运动条件下气泡动力学参数确定方法

权利要求书

1.一种运动条件下气泡动力学参数确定方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

步骤1：运用高速摄像系统采集六自由度运动条件下气泡动力学特性研究试验中气泡运动过程气泡行为图像信息；

步骤2：通过图像处理软件Image-Pro Plus对步骤1中图像信息进行处理，具体步骤如下：

步骤2-1：基于六自由度运动条件下气泡动力学特性研究试验装置中实验段上所固定的LED面板表面上的半透明坐标纸，确定气泡的测量长度和实际长度之间的比例关系；

步骤2-2：通过图像处理软件Image-Pro Plus，对采集的图像进行增强处理，提高图像的亮度即对比度；

步骤2-3：通过图像处理软件Image-Pro Plus，根据图像特性设置阈值，并基于阈值对图像进行二值化处理，其中气泡区域为白色，流场区域为黑色；

步骤2-4：通过图像处理软件Image-Pro Plus，采用形态滤波的方法填补气泡间缝隙，将相邻的气泡区域进行连接；

步骤2-5：通过图像处理软件Image-Pro Plus，利用边界捕捉提取每个气泡的边界，并对气泡进行标记；

步骤2-6：通过图像处理软件Image-Pro Plus批量处理图像信息功能实现气泡运动过程中轨迹的追踪及特征参数提取；

步骤3：基于步骤2中图像信息的处理结果，建立气泡上升速度的关系式，具体步骤如下：

步骤3-1：以六自由度运动条件下气泡动力学特性研究试验中的实验段为基准建立非惯性参考系，建立表面张力及浮生力对气泡运动的作用效果表达式：

表面张力控制项：

V₁²∞σ/ρ_Ld

浮升力控制项：

V₂²∞gd

式中，V₁为受表面张力影响气泡上升速度分量，V₂为受浮升力影响气泡上升速度分量，ρ_L为实验段流体密度，σ为气泡表面张力，g为重力加速度，d为气泡脱离直径；

步骤3-2：基于气泡上升速度和波浪运动速度的类似性，建立气泡上升速度的预测关系式：

式中，V_T为气泡上升速度，R₁、R₂分别为表面张力调节因子及浮升力调节因子；

步骤3-3：考虑实验运动条件的影响，建立运动条件下表面张力及浮生力调节因子关系式：

式中，f为摇摆频率，f_max为最大摇摆频率，θ_m为最大摇摆角度，k₁、k₂、k₃、k₄、k₅、k₆分别为常数；

步骤3-4：结合六自由度运动条件下气泡动力学特性研究试验的实验数据，通过非线性拟合得到步骤3-3中公式中的k₁、k₂、k₃、k₄、k₅、k₆的值，进一步得到运动条件下表面张力及浮生力调节因子R₁、R₂的表达式，最终得到运动条件下气泡的上升速度；

步骤4：基于前3个步骤，推导速度及气泡形状机理模型，建立Re-Eo的关系式，得到运动条件下气泡速度、形状及尺寸的内部联系，具体步骤如下：

步骤4-1：将步骤3-2中气泡上升速度预测关系式两侧同乘ρ_Ld/μ_L，可得：

式中，Eo表示浮升力与表面张力的比值；Mo表示粘性力、浮升力与表面张力的比值，由实验工质物性决定；Re表示惯性力与粘性力的比值；该公式能够预测不同运动条件下Re和Eo的变化关系；Eo、Mo、Re的表达式分别为：

式中，Δρ表示流体和液体之间的密度差值；

步骤4-2：通过步骤3-2公式中表面张力项和浮升力项所占的比例关系，即随着直径的增大，表面张力的作用效果会逐渐减弱，浮升力开始起主要作用，求得气泡形态中标准椭球区和球帽区的边界，当表面张力使上升速度减小的效果小于浮升力的增大效果时，即为椭球区与球帽区的分界点，即通过公式：

求得在运动条件下气泡上升过程中形状由椭球状到球帽状震荡区的边界；

步骤5：根据步骤4中建立的Re-Eo的关系式及推导的气泡上升速度、形状及尺寸的内部联系，绘制气泡速度-尺寸-形状查询图。