蘇 瑩

（東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院，黑龍江大慶 163000）

PIV技術(shù)應(yīng)用于氣液兩相流的研究現(xiàn)狀

蘇 瑩

（東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院，黑龍江大慶 163000）

PIV粒子圖像測(cè)速技術(shù)是一種瞬態(tài)、全場(chǎng)量測(cè)技術(shù)，廣泛地應(yīng)用于各種復(fù)雜的流動(dòng)。PIV氣液兩相流測(cè)量技術(shù)比單相PIV技術(shù)復(fù)雜，目前PIV兩相流技術(shù)的發(fā)展還在起步階段。針對(duì)PIV氣液測(cè)量中相分離以及兩相粒子成像問題進(jìn)行了討論，并提出相應(yīng)解決方法。

PIV；氣液兩相；相分離；兩相粒子成像

PIV粒子圖像測(cè)速技術(shù)主要是通過在流場(chǎng)中放入示蹤粒子，用粒子速度來表示流場(chǎng)中對(duì)應(yīng)位置的流體速度。PIV 粒子圖像測(cè)速技術(shù)能夠測(cè)出流場(chǎng)的物理形態(tài)，也可以提供流場(chǎng)流動(dòng)的瞬態(tài)定量信息，對(duì)流動(dòng)流場(chǎng)的研究起到了關(guān)鍵性作用。單相PIV測(cè)量技術(shù)已接近成熟，廣泛地應(yīng)用于各種復(fù)雜的流動(dòng)，PIV氣液兩相流測(cè)量技術(shù)比單相PIV技術(shù)復(fù)雜，PIV兩相流技術(shù)的發(fā)展還在起步階段，本文針對(duì)PIV氣液測(cè)量中相分離以及兩相粒子成像問題進(jìn)行了討論，并提出相應(yīng)解決方法。

1 區(qū)分不同相的粒子圖像以及相分離方法

氣液兩相流 PIV 測(cè)量技術(shù)難點(diǎn)是如何把不同相的粒子圖像區(qū)別出來[1]。這就要求不僅要測(cè)量出同一相粒子在一定時(shí)間段內(nèi)的位移，還要把不同相的粒子分離開來。在PIV實(shí)驗(yàn)中，不同相的粒子信息同時(shí)存在于同一個(gè)圖像中，因?yàn)殡x散相和連續(xù)相的運(yùn)動(dòng)差別較大，離散相的四周會(huì)存在偽矢量。這時(shí)得到的速度會(huì)受到兩種相信號(hào)的影響[2]。

1.1 熒光標(biāo)記法

在氣泡流動(dòng)中主要使用熒光標(biāo)記法，該方法是用熒光粒子標(biāo)記液相粒子，在激光照射時(shí)，熒光粒子反射出和激光不同顏色的光，而氣相粒子發(fā)射的光顏色與原來相同，從而根據(jù)顏色不同來完成氣液分離。氣液兩相分離后，應(yīng)用單相 PIV測(cè)速技術(shù)分別測(cè)得氣液兩相的流速場(chǎng)。世界上著名的 PIV 設(shè)備生產(chǎn)公司丹麥的Dantec和美國(guó)的TSI公司都使用了熒光標(biāo)記法完成了氣泡流動(dòng)的測(cè)量[3]。

1.2 亮度分辨法

該方法根據(jù)離散相氣相粒子和連續(xù)相示蹤粒子的成像灰度級(jí)的不同完成兩相分離。為了避免兩相的互相干擾，連續(xù)相示蹤粒子的最大散射橫斷面必須比離散相粒子的散射橫斷面大一個(gè)數(shù)量級(jí)。在選擇了合理的示蹤粒子情況下，該技術(shù)也必須經(jīng)過耐心的調(diào)整優(yōu)化成像，從而消除相間的干擾，使兩相粒子的灰度級(jí)差達(dá)到最大。氣液兩相分離后，應(yīng)用單相PIV測(cè)速技術(shù)分別測(cè)得氣液兩相的流速場(chǎng)[4]。

1.3 粒徑分辨法

該方法根據(jù)離散相氣相粒子和連續(xù)相示蹤粒子之間顆粒大小的不同來完成相分離。采用該方法時(shí)，要求先對(duì)原始 PIV圖像做二值化處理，讓連續(xù)相示蹤粒子及離散相變成白色的亮點(diǎn)（區(qū)域），然后從圖像中分離出來，通過算出這些亮點(diǎn)區(qū)域的面積，選擇一個(gè)合適的閾值把代表不同相的粒子分離出來。所以該方法要求相間粒子的粒徑差別要盡量大，以便減少誤判斷點(diǎn)，氣液兩相分離后，應(yīng)用單相 PIV測(cè)速技術(shù)分別測(cè)得氣液兩相的流速場(chǎng)[5]。

1.4 中值濾波法

針對(duì)兩相PIV既有連續(xù)相圖像又有離散相圖像的情況，既包含有小的連續(xù)相示蹤粒子又有大的離散相顆粒（或氣泡），Kiger等[6]采用二維中值濾波非線性信號(hào)處理技術(shù)，它可以很好地除去隨機(jī)噪聲。Kiger將示蹤粒子視為背景上均勻分布的噪聲，利用中值濾波方法將分散相顆粒的圖像從示蹤粒子的圖像中分離，濾波后得到離散相圖像。原始圖像除去離散相圖像得到連續(xù)相的圖像。應(yīng)用單相 PIV測(cè)速技術(shù)分別測(cè)得氣液兩相的流速場(chǎng)。

1.5 雙參數(shù)相分離法

雙參數(shù)相分離法利用粒子的亮度和尺寸兩個(gè)參數(shù)信息來完成相分離[7]。該方法要求先計(jì)算示蹤粒子以及離散相粒子的亮度和尺寸，把亮度和尺寸作為縱橫坐標(biāo)，制作亮度-尺寸圖，根據(jù)亮度-尺寸圖分別判斷連續(xù)相和離散相的置信區(qū)間（亮度和尺寸的范圍），此置信區(qū)間把所有粒子分成連續(xù)相和離散相顆粒兩類，分離后進(jìn)行求解每相的速度。此方法在已知球形粒子尺寸范圍的條件下，在氣固兩相流的流場(chǎng)中可以得到較好的效果。但由于氣泡在成像時(shí)不是一個(gè)實(shí)體，所以此方法對(duì)氣液兩相流不一定獲得很好的效果。

2 兩相粒子的成像問題

2.1 示蹤粒子的光學(xué)性能

若標(biāo)記兩相粒子的示蹤粒子光學(xué)性能大致相同，可以依據(jù)粒子直徑的大小區(qū)分兩相粒子。但是如果標(biāo)記兩相粒子光學(xué)性能不同，也可依據(jù)灰度來區(qū)別兩相的粒子。若反光強(qiáng)度差距大，則區(qū)分粒子較容易。但如果差距太大，就無法在同一個(gè)光學(xué)條件下取像，造成其中一相粒子取像清晰，另外一相粒子取像模糊的情況，這時(shí)就要利用特殊的光學(xué)鏡頭進(jìn)行處理調(diào)試，分別取像后再合成在一起。

2.2 示蹤粒子的密度

由于兩相粒子密度不同，在水平取像時(shí)，密度大的粒子會(huì)跑出片光的照射范圍，因此會(huì)導(dǎo)致示蹤粒子的相關(guān)點(diǎn)無法找到，所以在兩相測(cè)量時(shí)在重力方向上更容易取像。

2.3 示蹤粒子的濃度

在兩相PIV試驗(yàn)中，還要考慮粒子的濃度問題。濃度較大或者較小都會(huì)對(duì)測(cè)量造成影響。在濃度較大時(shí)，粒子像會(huì)堆積在一起，激光作為干涉光，因此在底片上會(huì)出現(xiàn)激光散斑卻不是獨(dú)立粒子像。即使利用激光散斑能夠測(cè)出散斑場(chǎng)的位移，可是對(duì)于流場(chǎng)來說，因?yàn)樯邎?chǎng)的穩(wěn)定性問題，很難測(cè)出散斑場(chǎng)位移。在粒子濃度較低時(shí)，由于粒子對(duì)的數(shù)目較少，導(dǎo)致無法得到較多點(diǎn)的流速，也就無法準(zhǔn)確測(cè)出流速分布。

3 結(jié)束語本文提出了 PIV氣液兩相流測(cè)量技術(shù)中存在的問題，對(duì)區(qū)分不同相的粒子圖像以及相分離方法和兩相粒子的成像問題做出了分析，給出了各種相分離方法的優(yōu)點(diǎn)及不足，為PIV氣液兩相流測(cè)量在相分離和兩相粒子的成像問題方面提供了建議。

[1] Oakley T R，Loth E，Adrian R J.A Two-Phase Cinematic PIV Method for Bubbly Flows[J].Journal of Fluids Engineering，1997，（119）：707-712.

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[7] Khalitov D A，Longmire E K.Simultaneous two-phase PIV by twoparameter phase discrimination[J].Experiments in fluids，2002，（32）：252-268.

Research Advances of PIV in GasLiquid Phase Flow

Su Ying

PIV particle image velocimetry is a transient and full field measurement technology，widely used in all kinds of complex PIV flow，gas-liquid two-phase flow measurement technology is more complex than the single-phase PIV technology，the development of the PIV two-phase flow technology is still in the initial stage，the PIV in the measurement of phase separation and gas-liquid twophase particle image are discussed and put forward the corresponding solutions.

PIV；gas liquid two phase flow；phase separation；two-phase particle imaging

O359.1

B

1003–6490（2017）05–0028–02

2017–04–06

蘇瑩（1993—），女，黑龍江綏化人，碩士在讀，主要研究方向?yàn)橛蜌鈨?chǔ)運(yùn)工程。