基于光流法的流化床气固两相流流场的检测

摄像机对流化床 内气 固两相流动进行 了拍 摄 ， 采用 光流法 对其 流场 进行 了测定 。在实验 中， 光源 的位
置、 亮度恒定 ， 镜头工况恒定 ， 则检测 区域 内图像 灰度 值变化是由流体运动而引起的 ， 可通过跟 踪光流 故 场 的变化来检测两相 流体 的运 动场。该方法对数字 图像 建立整 体光流 模型 ， 计算 出全场像 素点 的速度
气 固两 相流 动广 泛存 在 于工业 生产 过程 中 ， 如煤 粉燃 烧 、 力 输 送 、 气 烟尘 排 放 等 ， 自然 界 的沙尘 暴 、
宇宙尘埃也属气 固两相范畴。同时， 工业上有许多场合需要研究两相流 中固体颗粒的空间流动速度和
方 向， 比如 循环 流化 床锅 炉 内 中的煤粉 流速 ， 内各 局部 空 间的煤 粉 及 灰颗 粒 的运 动速 度 、 向。然 而 炉 方
第３ ２卷第 １ 期
２１ ０ ２年 ２月
东
北
电
力
大
学
学
报
Ｖｏ ． ２． ． １ ３ Ｎｏ １ Ｆ ｂ ２ ２ ｅ ．， ０１
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆＮ ｒｈ ａｔＤ ａ ＨＵｎｖ ｒｉ ｏ ｒ ａ Ｏ ｏ ｔｅ ｓ ｉｎ ｉｅｓ ｙ ｔ
文 章 编 号 ：０ ５—２ ９ （ ０ ２ ０ ００ １０ ９ ２ ２ １ ） １— ０ ７—０ ８
为 ， 大小 为 Ｍ ×Ｎ的 区 Ｙ
， 出 的灰 度矩 阵 Ｆ和 取
时刻， 相 进
行一 次 式 （ ）的计算 ， 将此 值 作 为 相关 矩 阵 Ｃ ｍ， １ 并 （
ｎ ）的 中心 元素 。
（ ）改 变 ｇ ｘ Ｙ ３ （ ，）为 ｇ ， ） 再 进 行 和 上 面 （ Ｙ ，
矢量 ， 即得 到两相流体的速度矢量场 。将 Ｍ Ｄ（ Ｑ 最小 方差 ） 互相关法与光 流法求得 的 ４种典型流 型的速
度矢量场进行 了对 比 ， 并用光流法测得 的速度矢量绘 出其 等涡量场 ， 定量上获得 了不 同流型垂直轴 上的
上升和下落 的平均速度 以及 总体速 度的空间分布特性 。实验结果表 明： 应用光流法 比 ＭＱ Ｄ互相关 法求 出流场更接近实 际， 而且计算时问短 ， 可以应 用于流化床气 固两相流流场 的检测和 流动规律 的分 析。 关 键 词： 气固两相流 ； 图像 处理 ； 光流法 ； Ｄ互相关法 ； ＭＱ 速度场 文献标识码 ： Ａ 中图分类号 ： ５ ． Ｏ３９ ２
基 于光 流 法 的流 化 床 气 固两相 流 流 场 的检 测
李 莹 周 云龙 ， ， 范振儒２
（． １东北 电力大学 能源与动力工程学 院 ， 吉林 吉林 １２ １ ；． ３ ０２ ２ 国家开发银行内蒙古 自治区分行 ， 呼和浩特 ０ ０ １ １０ ０）
摘
要： 以空气和透 明玻璃珠为 实验介 质 ， 对流化床气 固两相流 的流场进行 了实验研究 ， 利用 高速
主体 内有效 混合并 使 固体颗 粒流态 化 ， 最后进 入布 袋分 离 器 ， 空 气分 离 出来 并 排人 大 气 ， 将 分离 后 的 固 体 颗粒 保 留在布袋 内供 循环 使 用 。 图像 采 集 系 统 主 要 包括 照 明系统 和高 速 摄影 系 统 。 由于 高速 摄 影机 对 光线 的亮 度 有 较 高 的要 求 ， 明 系统 的光 源使 用 照 ６０ Ｋ 色温 的 三 基 色 光 管 ， 线 明 亮 无 闪 烁 。 由 于 ４０ 光
面， 周云龙等 应用高速摄像机对油气水三相流的水包油流型进行了拍摄 ， 并跟踪气泡及油滴 ， 实现对
流 速与 流场 的测 定 。朱 佳 琪等 提 出 的图像测 速法 是 以直 流灯作 为正 面光 源 ， 采用 高速 Ｃ Ｄ拍 摄流 化 Ｃ 床 内 的二维 颗粒 运动 图像 ， 于图像 的互 相关 算 法计 算 得 到循 环 流化 床 内颗 粒 二 维全 场 速 度 。Ａ ｔｎｏ 基 ｎｏｉ Ｂ ｓｉｉ等 利 用 图像 分 析技术 ， 流化 床气 固两相 流 的鼓 泡 床 中气 泡行 为进 行 了研究 ， 利用 拉格 朗 ｕｃｇｏ ｌ 对 并 Ｅ测 速 法和 欧拉测 速法 对鼓 泡床 中 的流 场 和相 关 速 度 参 数 的 进行 了测 定 。周 洁 等 利 用 光 信 号互 相 ｌ
第 １期
李 莹等 ： 于光 流法的流 化床 气固两相流流场的检测 基
『 ｖ Ｍ
９
．
（ 一ｇ ）・ ｊ ｉ
（） １
当 值 为 最大 时 ， 考 目标 与候 补 目标为 同一 粒子 ， 参 这样 就 可确定 粒 子 的位 移及 其速 度 。 以下 就是
采 用 ＭＱＤ互 相关 算法 具体 的实 现过 程 。
子 卷 一高 一
孔板流量计
有 机玻璃 板上 ， 蒙上 两 层绘 图用 的硫 酸 纸 ， 获得 满 可 意 的拍摄 图像 。
图 １ 流化床气固两相流实验 系统
本实验装置中流化床主体尺寸为 ２０ｍ ｌ ５ ｌ× ００ ｍ， ０ ｌ ｘ ０ ｎ ２０ 布风板上布有 ３ Ｔ ｍ ｍ 排共有 ２ 个风帽。每 ９ 个风帽同一横截面上均匀的开有 ８ 个直径为 ２ ｍ的小孔。实验床料使用透明玻璃珠颗粒 ， ｍ 颗粒的堆积密度为 ２４～ ． ／ｍ ， ． ２６ ｃ 成圆率为 ８ ％， ｇ ０ 表１ 颗 的 分 粒 筛 比 其筛分比见表 １ 。 距 布风 板上 方 １ ０—５０ｍ 的 空 间 区 域 ， 集 ６ ｍ 采 图像像 素为 １２ ００×３０ 帧 频 为 ５０Ｉ 秒 。大 气 温 ４， ０ 度 为 ２ ． ＝风 流量分 别为 ２ ｈ４ ／ ，５ｍ ／ ，０ｍ ／ ，１ 。ｈ ８６ｃ ， 【 ５ｍ ／ ，０ｍ。ｈ６ ｈ９ 。ｈ １０ｍ ／ 。拍 摄在 上述 工况 下 ， 流化 床
一
（ ）ｔ ａ 时刻
（） ｂ ｔ＋Ａ 时刻 ｔ
样 的一次运 算 得到 Ｃ（ ｎ 另 一个 元 素 ， 环操 作 ｍ，） 循
互 相 关 ＭＱＤ算 法 原 理 图
上述 过程 ， 到 计 算 出在 搜 索 最 大 速 度 对 应 的 位 移 直
区域 内 ｇ ，）周 围所 有 可能存 在 的相 关元 素 ， 成矩 阵 ｃ（ ｎ 。 （ Ｙ 组 ｍ，）
（ ）首先 对两 相流 动 实 验 中获 得 的连 续 两 幅 图 １ 像 进行 检测 ， 证两 幅 图像 中 的像 素 矩 阵维 数 相 同 ， 保 并 根据 浓度 将 两 幅 图像 划 分 均 匀 网格 。 确定 搜 索 区
域 最 大速度 。 （ ） 定图 ２ ａｔ ２ 选 （ ） 时刻 目标 像 中一 个 中心 坐 标
间隔内的位移 。 ，） ｇ ｘＹ 分别为图２ ａ Ｙ 和 （ ，） （ ）中目标区和图２ ｂ 中同一位置 目标区的灰度分布函 （） 数。 当图像用像素来构成时 ， 取 和ｇ 为像素的灰度值 ， Ⅳ和Ｍ为横纵方向像素数量。 灰度分布函数 ， Ｙ 和ｇ ｘＹ 分别表示成 和 ｇ 的集合 。 Ｑ 互相关算法¨ ） （ ，） ， ， Ｍ Ｄ 是灰度分布相关法的改进算法 ， 差别就在 于它 用灰 度差 的平方 代替 相关 系数作 为相 似性分 析 的依据 ， 即相 关 系数 ：
关方法对气固两相流中固体颗粒一维流速的测量进行 了研究 。参考文献
术检 测 流体 流场 和速度 所取 得 的成果 。
收 稿 日期 ： ０ １—１ ２１ １—１ ８
是我国学者利用 ＰＶ技 Ｉ
作者简介 ： 李 莹 （ ９４一）， 吉林省德 惠市人 ， １８ 女， 东北 电力大学能源 与动力工 程学院在读硕 士研 究生 ， 主要研 究方 向： 固两相流 气 智能检测技术．
两相 流 流 型 变 化 复 杂 ， 速 摄 影 系 统 采 用 瑞 士 高
ＷＥＮ Ｅ Ｇ Ｒ公 司研 发 的 Ｓ ｅｄ ａ ｉ ｒ ＩＢ Ｒ Ｅ ｐ ｅ Ｃ ｍ Ｖｓ ｉ ａ ｏ系统 ，
其最 大分 辨 率 为 １３ ５６×１２ 最 大 帧 频 达 到 １００ ０４， ００ Ｊ ｓ能够 清 晰 的抓 拍 各 种 流 型 的瞬 变 图像 。在 图 ， 像摄 取 过 程 中 采 用 逆 光 照 明 ， 摄 各 种 流 态 的 阴 拍 影Ｈ 。为 了使光 线 分 布均 匀 ， 在 观测 区域 后 侧 的 可
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东北电力大学学报
第３ ２卷
本 文提 出了一种 两相流 流场及 速 度测试 的新 方法 。实验 中 ， 源 的位置 、 度 恒定 不 变 ， 光 亮 摄像 机镜
头的拍摄位置及焦距不变 ， 检测区域内图像灰度值变化是因两相流体运动而引起的， 故可通过跟踪检测
区域 内光流场的变化来检测两相流体的流场 。该方法对数字图像建立整体光流模型 ， 计算 出全场像素
气 固两相流 的运 动情 况 。
２ ＭＱ Ｄ互 相关 算 法
把两相 流体 运动 流场 的两 幅 图像 看成 是两个 随机 分 布 的数据 集 合 ， 可 用 相关 函数来 度 量 两 幅 图 便 像 的相关性 ， 即相似 程度 。 图２ ａ 为 ｔ （ ） 时刻参 考 目标像 位置 ， ２ ｂ 为 ｔ 图 （） ＋△ 时刻候 补 目标像位 置 ， 头指 示参 考 目标在 △ 箭
（） ４ 对矩阵 ｃ ｍ，） （ ｎ 进行峰值检测 ， 假定相关小区域内峰值在亚像元精度内分布符合高斯 曲线 ， 找 到 Ｃ ｍ，）的最大值 ｃ ， Ｃ矩 阵的 中 ， 素对 应 的位置 和 ｃ 对应 的位 置相减 ， （ ｎ 将 ｔ元 Ｌ 即可获 得 △ 时 间 间 隔 内 目标位 移 。 （） ５ 利用 目 标位移与 Ａｔ 的比值就可得到 目标运动速度。 并可绘制出速度矢量图。
气 固两相流动十分复杂 ， 参数众多 ， 现有 的理论模型还不能完整地阐述其流动变化规律 ， 那么首先要解
决 的是 两相 流体 的参 数 的检测 。在 众 多流动 特 征 中流型 及 其 流场 、 量场 和 空 间 速度 分 布 等参 数 的 准 涡 确 测量 会使 人们 更加 深入 地认 识这 种 流动现 象 的物理 本质 ， 重要 的是 ， 更 它有 助 于发展 相关 的理论 数 学 模 型 ， 立有 效 的理论 计算 方 法 ， 类计 算方 法 的建立 ， 工 程设 计 人员 发 展 更 高效 的工 业设 备 非 常 重 建 这 对 要 。有 关这 方面 的研 究具 有相 当 的难度 。迄 今 为止 ， 量 两 相流 中颗粒 流 速 及 流场 的方 法 主要 有激 光 测 多 普勒 测速 法 、 子示 踪全 场测 速 法 、 子示 踪 全 场 测 速 法 和 图 像测 速 法 等 Ｊ 分 粒 。其 中 当今 较 流行 的 流 体 动态 速度 场检 测手段 有 ＰＶ和 Ｐ Ｖ技 术 。ＰＶ法 计 算某 一 诊 断 窗 口内粒 子 的平 均位 移 ， 定程 度 Ｉ ｒ ｒ Ｉ 一 上会 产 生平 均效 应 、 验 步 骤 复杂 方 法 ， 算 繁 琐 。Ｐ Ｖ 法 适 用 于 稀 疏 颗 粒 运 动 场 合 ， 在 输 移 现 实 计 ｒ ｒ 如 象、 传送 现 象等尤 其关 注拉 格 朗 Ｅ运 动规 律 的情 况下 具 有很 好 的发 展 。在 两 相 流体 流 场 及 速度 检 测 方 ｔ