[发明专利]基于链码轮廓特征的液膜波动速度测量方法

说明书

技术领域

本发明属于气液两相流测量领域，特别涉及一种基于链码轮廓特征的液膜波动速度测量方法。

背景技术

气液两相环状流是工业生产过程中重要的流型流态之一，广泛存在于天然气输送、蒸发冷凝器和蒸汽加热系统等工业生产和设备中。对于管道内环状流以及管道外液膜流动，液膜速度的准确测量对分析液膜演化特性、传热传质特性等都具有重要的研究意义和应用价值。非侵入测量不干扰流场、适应性广、准确性高，得到了广泛的应用，目前基于非侵入光学诊断手段，采用液膜图像信息获取液膜速度成为研究的热点之一，如激光诱导荧光技术，由激光照射流场并诱导液膜发出荧光，高速相机捕获液膜图像并进行特征提取测量。

目前，基于图像的液膜速度测量多采用互相关技术，通过描述多幅图像之间的相似度进而求解波动速度。基于液膜图像灰度的互相关测量方法是较为常见的一种，该方法简洁实用，准确度高，但具有较大的计算量，实时性差，且一般用来处理线性尺度变化的图像。归一化灰度互相关算法在此基础上进行了改进，增强了图像识别率，但计算量仍然较大。基于图像特征参数，如液膜厚度等进行互相关运算计算量小，但该方法需要准确提取出被测对象主要特征，如果提取的特征参数存在较大误差，最终结果会严重偏离理想值，导致测量精度下降。因此，根据采集得到的液膜图像特点，准确、快速地实现液膜速度测量成为液膜流动特性研究中的重要问题之一。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在提供基于链码轮廓特征的液膜波动速度测量方法，从而对管道内环状流以及管道外液膜流动中采集的连续帧液膜图像进行准确、快速的流速测量和分析。为此，本发明采用的技术方案是，基于链码轮廓特征的液膜波动速度测量方法，在采用高速摄像机获取管道内轴向环状流液膜或管道外液膜原始图像基础上，通过包括图像灰度化、差影检测、中值滤波、阈值分割、孔洞填充在内的数字图像处理过程，分离出液膜流动区域，基于同一段液膜在不同时间移动的位置关系，计算得到液膜的波动速度。

基于同一段液膜在不同时间移动的位置关系，计算得到液膜的波动速度具体是，以液膜流动区域的8-链码轮廓作为匹配特征，选取两幅液膜原始图像分别进行处理并得到两相界面的链码特征，然后对这两个特征向量进行匹配，找到最佳匹配点位置，从而得到液膜流动位移，最后根据两幅图像的帧频时间，得到液膜波动速度。

采用基于激光诱导荧光方法或直接高速摄影法，采集管道内环状流或管道外轴向液膜的连续多帧图像，利用数字图像处理过程，分离出液膜流动二值化区域。

以液膜流动区域的8-链码轮廓作为匹配特征，得到液膜波动速度具体步骤是，在前一帧图像中，选取垂直于管道的一条直线M与两相界面的交点作为起始端，以垂直于管道的另一条直线N与两相界面的交点作为终止端，提取出此段两相界面的8-链码轮廓特征，并将其记为链码特征向量V₁；

在后一帧待匹配图像中，以直线M与两相界面的交点作为起始端，逆时针提取液膜两相界面的8-链码轮廓特征，将特征向量V₁与该图像中沿管道轴向且位于直线M之后相同维数的链码特征向量进行匹配，获得最佳匹配点位置，即得到液膜流动位移；

选取最佳匹配点及其附近的两个点，采用抛物线拟合亚像素极值，作为拟合优化后的最佳匹配点，即优化的液膜流动位移；

利用拟合优化的液膜流动位移与两幅图像之间的帧频时间关系，求取液膜波动速度。

本发明的特点及有益效果是：

本发明方法通过提取管道内环状流或管道外多帧液膜图像的两相界面链码轮廓特征，以管道轴向为搜索方向，基于相邻两帧液膜的链码特征向量余弦值与相似度之间的关系进行匹配，获取液膜流动位移，从而实现准确、快速的液膜波动速度测量，为后续液膜的流动演化以及特性分析奠定坚实基础。

附图说明：

图1为竖直管道内环状流液膜图像采集和测量系统(以激光诱导荧光法为例)。

图2为液膜图像原始与处理后的液膜图像，其中(a)为原始液膜图像，(b)为处理后液膜图像及待匹配区域。

图3为两链码向量余弦值及匹配算法示意图。

具体实施方式

本发明适用于基于激光诱导荧光的管道内环状流以及管道外液膜波动速度测量，同样适用于通过其他方法(如直接高速摄影法)采集的管道内环状流以及管道外液膜图像速度测量。