[发明专利]一种稀疏两相流中颗粒局部结构的测量方法

说明书

本发明涉及一种稀疏两相流中颗粒局部结构的测量方法，包括：获取流化颗粒图像；对背景去噪和二值化处理后的流化颗粒图像进行特征提取和筛选，得到每一个颗粒上白色光点的像素值；对每一个颗粒进行定位，确定每一个颗粒在直角坐标系下的坐标值；根据每一个颗粒的坐标值，构建对应的颗粒系统的Voronoi图，并计算每一个颗粒的局部体积分数；构建包含七个拓扑结构的接触模型；确定每一个颗粒的键取向序参数Q_n，结合接触模型，对每一个颗粒进行局部结构匹配及颜色表征，计算颗粒的方位角、建立颗粒局部结构变化曲线，完成对流化颗粒局部结构的测量。与现有技术相比，本发明能够准确测量流化颗粒的局部结构，并实现了对局部结构的可视化处理。

技术领域

本发明涉及颗粒流局部结构测量技术领域，尤其是涉及一种稀疏两相流中颗粒局部结构的测量方法。

背景技术

在石油、化工、能源、冶金、材料、环保等领域中，存在大量黏性颗粒流态化过程。由于黏性颗粒间存在液桥，使得颗粒与邻近颗粒产生粘连形成不同的局部结构体。在流化过程中容易产生团聚结块现象，这将会减弱反应器内的气固接触，降低生产效率。在黏性颗粒流化过程的研究中，最根本、最直接的是对稀疏两相流中黏性颗粒局部结构进行研究，因此测量黏性颗粒在流化团聚过程中局部结构的变化，对预测滑坡和泥石流等自然灾害以及增强工业过程的效率具有重要意义。

目前，在颗粒流结构描述方面，有采用统计物理学分布函数来描述颗粒流的大致局部结构，比如径向分布函数法，采用径向分布曲线来表征以颗粒为同心圆随半径增加时颗粒的密度分布，但是该方法只能判断颗粒流局部结构的疏密，无法对颗粒的拓扑结构进行测量；另外比较常用的是利用颗粒配位数或颗粒局部面积分数来测量颗粒流中的局部结构，但是这种方法需要对图像中颗粒系统进行区域划分，这就难免会有部分颗粒位于区域边缘上，进而导致配位不准或误配位的现象；并且，目前的测量方法均无法对颗粒流化过程中局部结构进行可视化处理。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种稀疏两相流中颗粒局部结构的测量方法。

在材料相变领域中，为研究二维晶体熔化，建立了KTHNY理论，利用键取向序Q₆来表示二维系统熔化相变过程中的六角相(Hexatic)，因此很多研究者采用这种六角相来对颗粒流的结构进行描述，但目前还没有一个完整的结构模型能够对二维平面内所有的结构进行测量。本发明从相变领域中六角相结构受到启发，引入键取向序参数(bondorientation order parameter)Q_n来表示任一颗粒与邻近颗粒相接触的个数，通过构建接触模型，并计算接触颗粒的方位角和相接触颗粒的总数，以确定二维硫化颗粒的拓扑结构，最终实现对二维流化颗粒系统中颗粒局部结构的准确测量。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种稀疏两相流中颗粒局部结构的测量方法，包括以下步骤：

S1、获取流化颗粒图像，并对流化颗粒图像进行背景去噪和二值化处理，得到处理后的流化颗粒图像；

S2、对处理后的流化颗粒图像进行特征提取和筛选，以得到流化颗粒图像中每一个颗粒上白色光点的像素值；

S3、根据每一个颗粒上白色光点的像素值，对每一个颗粒进行定位，确定每一个颗粒在直角坐标系下的坐标值；

S4、根据每一个颗粒在直角坐标系下的坐标值，构建对应的颗粒系统的Voronoi图，并以此计算每一个颗粒的局部体积分数；

S5、构建接触模型，其中，接触模型包括与键取向序参数对应的七个拓扑结构；

S6、确定每一个颗粒的键取向序参数Q_n，结合接触模型，以对每一个颗粒进行局部结构匹配及颜色表征，同时计算每一个颗粒的邻近颗粒方位角、建立颗粒局部结构变化曲线，即完成对流化颗粒局部结构的测量。

进一步地，所述步骤S3具体包括以下步骤：