水气两相流动的数字图像测量方法及应用研究

本文运用数字图像处理与分析技术，结合水利工程中的掺气水流问题，研究水气两相流的数字图像测量技术中的相关问题，主要结论和成果如下： (1) 研制了一套用于水气两相流动研究的测量与分析系统。该系统由硬件和软件两部分组成。根据实验需要配置了图像采集硬件，设计了掺气水流的实验装置。本文开发的图像测量软件具备了图像处理、流动显示、两相速度的同时测量、分散相尺寸及分布特征提取以及各种辅助功能。 (2) 提出了一种新的速度提取算法一预估搜索法(PSA)。全局搜索法具有局部分辨率高(精度高)、窗口尺寸选择灵活、测速范围大等优点，但其计算量大，难以实现在线测量；FFT算法正好相反，其计算速度快，但测速范围小，局部分辨率低，在窗口尺寸选择上缺乏灵活性。这两种算法具有很强的互补性，正是基于这种互补性，本文提出了一种所谓的预估搜索法：即先利用FFT算法计算速度快的优点迅速获得某一诊断窗口在下一幅图像中的预估位置，然后利用全局搜索法精度高的优点在预估位置附近搜索诊断窗口的精确位置，从而实现了速度与精度的统一。 (3) 提出了一种混合格式的两帧粒子跟踪测速算法(2-HPTV)。基于“流场局 西安理工大学博士学位论文 域示踪粒子运动荃本相同”的特性，采用类似于PIV技术中的相关分析技术，通过 追踪气泡群图案的方法达到追踪单个气泡的目的(属于PTV技术)，提高了气泡速 度场的测量精度.该算法对摄像机硬件要求低，具有较强的实用性。 (4)提出了墓于模极大值原理的图像去噪算法以及基于小波影像金字塔的快 速分层匹配算法。在层内匹配时，粗尺度低分辨率图像上采用序贯相似性快速检测 算法，而细尺度高分辨率图像上采用计算精度高的方差归一化相关算法.这样就从 减少搜索匹配的点数和降低匹配准则的计算复杂度两方面加速了匹配的速度，有效 地提高了图像测量的精度。 (5)采用图像去噪、灰度变换、直方图均衡化以及非均匀背景修正技术等提高 了原始图像成分的清晰度，使图像变得更便于计算机分析和处理。采用动态阅值分 割技术，将气泡粒子准确地从背景中分离出来并进行标记，实现了气泡参数(粒径、 掺气浓度)的统计功能。 (6)总结了水汽两相流中气泡粒子与代表液相的示踪粒子之间的区别方法，实 现了两相信息的分离:分别采用PSA技术和2·HPTV技术实现了水气两相流速的 同时测量。 (7)首次针对水利工程中的水流入射水垫塘现象，采用本文建立的图像测系 统，对模型水垫塘中不同工况下的淹没射流流场进行了测量，获得了速度场、湍动 能场以及涡量场等有用参数，实现了水气两相流两相速度的同时测量，获得了气泡 粒径、掺气浓度等参数。 [关键词1:水气两相流动，图像测量方法，预估搜索算法，小波分析， 双祯混合格式粒子追踪测速，气泡尺寸，掺气浓度 [论文类型]:应用研究