張敏

（蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇　蘇州　215009）

基于MATLAB的電冰箱風(fēng)冷式蒸發(fā)器流場的圖像處理

張敏

（蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇蘇州215009）

利用MATLAB的強大圖像處理功能，借助粒子圖像測速（PIV）技術(shù)理念，對電冰箱風(fēng)冷式蒸發(fā)器流場拍攝到的圖像進(jìn)行流場定量研究，對蒸發(fā)器的改進(jìn)設(shè)計提出具體建議。

MATLAB；蒸發(fā)器；圖像處理

粒子圖像測速（PIV）技術(shù)是在流場中散播示蹤粒子，通過兩次或多次時間間隔較短的曝光，將粒子的圖像拍攝下來，然后根據(jù)互相關(guān)法理論，計算流場中示蹤粒子的速度，從而獲得流場的速度分布，為流場的可視化研究提供正確的途徑。為了研究風(fēng)冷蒸發(fā)器內(nèi)流場情況，優(yōu)化蒸發(fā)器的設(shè)計，筆者借助PIV技術(shù)的理念，通過可視化的實驗，借用MATLAB的強大的圖像處理功能來直觀地觀察蒸發(fā)器內(nèi)速度流場的情況。

一、風(fēng)冷蒸發(fā)器流場試驗?zāi)Ｐ秃喗?/h2>

本文針對松下公司NR-F555TX-N5進(jìn)口電冰箱進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，研究在一定外圍空間結(jié)構(gòu)下，風(fēng)冷式蒸發(fā)器表面的氣流流場；通過模擬實驗，拍攝高清錄像，再對氣流流場圖片進(jìn)行圖形處理、分析，來優(yōu)化設(shè)計風(fēng)冷式蒸發(fā)器。同時，為了保證拍攝效果，提高可視化及減小圖像處理的難度，采用MATLAB軟件的圖像處理功能，提高了結(jié)果的準(zhǔn)確性。

在風(fēng)冷蒸發(fā)器做流場試驗前，先做如下準(zhǔn)備工作:

（1）對冰箱的風(fēng)冷式蒸發(fā)器內(nèi)隔板按需要進(jìn)行切割，采用同厚度的有機玻璃板進(jìn)行替代，這樣就能獲得最接近真實情況下的蒸發(fā)器表面的氣流流場。

（2）采用透明平板有機玻璃代替NR-F555TXN5冰箱結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜的外隔板，既能實現(xiàn)可視化，又能確保流場的真實流動情況。切割、替代后的蒸發(fā)器試驗?zāi)Ｐ鸵妶D1。

圖1　蒸發(fā)器實驗的可視化模型

（3）采用水霧作為示蹤氣體。水霧是在低溫條件，通過加熱器玻璃管間接加熱水產(chǎn)生的氣體。因為在低溫條件下，水蒸氣以大分子團(tuán)的狀態(tài)出現(xiàn)，用攝像機方便拍攝清晰的流動圖像。

（4）光源使用直徑2cm的日光燈，在換熱器的上下觀測區(qū)域各布置1只。

二、基于MATLAB的圖像處理

從未開始生水霧（后面統(tǒng)稱為未發(fā)煙）開始，連續(xù)錄取一段3分30秒的視頻。由于在流動穩(wěn)定的情況下，高清攝像機拍攝的蒸發(fā)器表面水霧流動的速度和方向大致是相同的，故下面僅以處理某一時刻的氣流速度為例，對蒸發(fā)器表面水霧流場進(jìn)行MATLAB圖像處理。

（一）拍攝圖像的截取

圖2　未發(fā)煙截圖

將錄制的水霧流動視頻，以幀為單位截取連續(xù)兩張圖片。本實驗中所使用的工具為KMP視頻處理軟件，視頻單位為每秒15幀。首先，視頻中截取不發(fā)煙時的一幀圖（如圖2）作為背景圖片，然后根據(jù)視頻截取發(fā)水霧時某一時刻的一幀圖 （發(fā)煙截圖）進(jìn)行處理。

（二）圖像的二值處理及histeq增強

為了保證圖像中水霧的正確互相關(guān)，圖中相應(yīng)位置的水霧在該時刻能夠精確識別，運用MATLAB軟件中的rgb2gray函數(shù)對圖片做黑白處理，并分析其灰度直方圖。發(fā)煙截圖黑白處理后的效果見圖3，對應(yīng)灰度峰值見圖4。

圖3　發(fā)煙截圖黑白處理后

圖4　發(fā)煙截圖的灰度分布

由圖3可知，發(fā)煙截圖經(jīng)rgb2gray化后的圖片，水霧的流動不是很清晰，這是由于拍攝及光線原因，使其對比度不是很強烈，這點在圖4灰度分布示意圖中極為突出地反映出來。在圖4中，灰度頻率大都集中在波長靠前的區(qū)域，這就造成圖片的辨識度較低，給后續(xù)處理帶來不便。為了解決這個問題，運用MATLAB軟件中的histeq算法自動均衡黑白圖片中的灰度值，使其均勻分布。均勻后的效果如圖5所示，其灰度分布見圖6。

圖5　對發(fā)煙截圖均衡化

從圖5中可以看到，經(jīng)histeq處理后的圖片對比效果相當(dāng)強烈。這源于圖片的灰度自動均衡化后，圖片中的灰度頻率在整個波長范圍內(nèi)均衡布置，突出了水霧與背景的區(qū)別。

（三）用MATLAB實現(xiàn)互相關(guān)的處理方法

圖6　發(fā)煙截圖均衡化后的灰度分布度

在突出水霧與背景區(qū)別后，將經(jīng)histeq直方圖修正處理后的發(fā)煙截圖 （圖5），利用MATLAB的imsubtract命令，減去未發(fā)煙截圖（圖2）經(jīng)histeq直方圖修正處理后的圖像，用以除去背景，獲得對應(yīng)時刻的水霧的情況。為了便于圖像比較，質(zhì)點追蹤，利用MATLAB中的放大和縮小函數(shù)imresize，實現(xiàn)圖像的馬賽克效果。

采用同樣方法，每隔30秒截取一張圖片，獲得該圖片對應(yīng)時刻的水霧流動情況，再借助PIV測速原理，對兩幅圖片的水霧質(zhì)點進(jìn)行互相關(guān)匹配處理，確定水霧質(zhì)點在兩幅圖片中的位置，計算時間間隔內(nèi)各水霧質(zhì)點的流動距離，最終后保存數(shù)據(jù)，得到如圖7所示的蒸發(fā)器表面氣流速度矢量圖。

圖7　蒸發(fā)器表面氣流速度矢量圖

圖8　改進(jìn)后蒸發(fā)器表面氣流速度矢量圖

三、結(jié)果分析與改進(jìn)

因為蒸發(fā)器表面的水霧整體上是自下而上流動，速度矢量圖整體反應(yīng)了自下而上流動的流動趨勢，但在最靠近蒸發(fā)器的底部位置，氣流的流向有向下的情況，分析可能在出口處存在氣流干擾，造成底部氣流滯留；也可能是由于相機錄像，使視覺產(chǎn)生滯留性所致。實驗結(jié)果基本與水霧流動情況一致。

由于在低精度下，邊緣對比不明顯的水霧無法被檢測出來，而采用MATLAB的edge邊緣檢測，能夠檢測出的水霧邊緣精度，可以避免使用背景圖片由于光線導(dǎo)致的灰度不同和設(shè)備震動等原因造成的背景不重合問題。所以，可以從同一張圖片的高級別edge邊緣檢測中去除低級別edge邊緣檢測圖片，這樣就可以得到更為精確的水霧。改進(jìn)后，蒸發(fā)器表面的氣流速度矢量圖如圖8所示，自下而上的流動軌跡更為清晰。

從圖8可以看出，蒸發(fā)器表面氣流在上部和下部比較均勻，但在蒸發(fā)器中部流場有漩渦出現(xiàn)。本實驗符合傳熱學(xué)上的理論:傳熱溫差越大，氣流速度越大，對流換熱強度越強。

因此，可以從以下兩個方面對蒸發(fā)器加以改進(jìn):一方面是結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)，改進(jìn)結(jié)構(gòu)避免氣流旋窩的出現(xiàn)；另一方面，在節(jié)能可行的條件下，應(yīng)加大氣流整體的流動速度，增大傳熱量。研究電冰箱風(fēng)冷式蒸發(fā)器內(nèi)流場的實際情況，對優(yōu)化蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計，強化傳熱效果，設(shè)計新型的節(jié)能冰箱有著重要的意義。

［1］汪林.旋風(fēng)分離器氣固兩相流數(shù)值模擬及性能分析［D］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2007.

［2］李倩.通信機房熱環(huán)境的模擬及測量方式的改進(jìn)［D］.青島:中國海洋大學(xué)，2014.

［3］龔聲蓉，劉純平，王強.數(shù)字圖像處理與分析［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2006.

［4］陳健，雷洪，耿佃橋，等.機房氣流分布的數(shù)值模擬［J］.沈陽師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2011（4）:526-520.

（編輯:林鋼）

Image Processing of the Flow Field in an Air Cooling Evaporator Based on MATLAB

（Suzhou Institute of Trade and Commerce，Suzhou 215009，China）

The powerful image processing function of MATLAB is used to study the flow field of the air cooling evaporator in a refrigerator.With the aid of particle image velocimetry（PIV）technology，a quantitative analysis of the flow field of the captured images is provided and suggestions for the improvement of the evaporator is put forward.

MATLAB；evaporator；Image processing

TM 925.21

A

1671-4806（2016）03-0090-03

2016-04-25

蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院中央財政支持提升專業(yè)服務(wù)產(chǎn)業(yè)能力建設(shè)項目

張敏（1980—），女，江蘇常熟人，講師，碩士，研究方向為制冷空調(diào)節(jié)能、計算機技術(shù)。