- 2022-09-27 发布 |
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文档介绍
水中气泡运动规律的piv实验研究硕士论文
独创性声明本人所呈交的学位论文是在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文的研究工作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任。论文作者签名：鱼至拯矽ff年弓月“日学位论文使用授权本人作为学位论文作者了解并愿意遵守学校有关保留、使用学位论文的规定，即：在导师的指导下创作完成的学位论文的知识产权归西安理工大学所有，本人今后在使用或发表该论文涉及的研究内容时，会注明西安理工大学。西安理工大学拥有学位论文的如下使用权，包括：学校可以保存学位论文；可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文；可以查阅或借阅。本人授权西安理工大学对学位论文全部内容编入公开的数据库进行检索。本学位论文全部或部分内容的公布(包括刊登)授权西安理工大学研究生学院办理。经过学校保密办公室确定密级的涉密学位论文，按照相关保密规定执行；需要进行●技术保密的学位论文，按照《西安理工大学学位论文技术保密申请表》内容进行保密(附《西安理工大学学位论文技术保密申请表》)。保密的学位论文在解密后，适用本授权。论文作者签名；S／翌丛缝∑导师签’们加c1年岁月％日\n摘要论文题目：水中气泡运动规律的PIV实验研究‘学科专业：水力学及河流动力学研究生：白云艳指导教师：陈刚教授邵建斌讲师摘‘要签名：水气两相流广泛地存在于各个领域，由于其流动复杂性和实验量测手段的限制，使气泡在水流中运动特性的了解和认识不够深入。单个气泡在静水中上升运动的研究排除了各种复杂因素，是掺气水流理想状态下的研究方式，能够为分析掺气水流流场信息提供参考和帮助。本文运用PIV测量技术和数字图像处理技术，分别对静水中和泄洪洞反弧段水流中单个气泡的上升过程进行实验研究，分析了气泡在静水中的运动规律，并初步探索了气泡在反弧段水流中的运动规律，主要研究内容和成果如下：(1)总结分析了PIV技术在气泡运动参数测量中的应用，可以测量的掺气水流运动参数包括气泡尺寸、形状、运动轨迹、运动速度、运动加速度、水流自由液面等。(2)设计了分析静水气泡运动规律的实验装置及实验方案，运用PIV测量技术获取了单个气泡的运动参数，包括气泡特征尺寸、瞬时速度、上升轨迹等，分析了气泡上升运动规律。得到了若干明确、详尽的实验结论，为后续实验研究或数值分析计算提供参考和模型选择依据。(3)实现了静水中亚毫米级气泡变形情况的观察和描述，认为考虑气泡变形影响的临界直径在以。=O．5mm～1mm范围内。验证了在蒸馏水中耽数比励数更好地反映E僮变化趋势，且Taylor等提出的预测式最合适。(4)分析了气泡瞬时速度变化规律，并提出在一定尺寸范围内，标准化瞬时速度与标准化E值呈现良好的y=一x线性对应关系。(5)提出了以。=1．7ram～2mm为静水中气泡终速度拐点，并验证了文献中的终速度预测式，认为Jamialahmadi式适合本文尺寸范围气泡的终速度预测，误差小于10％。(6)实现了两部高速摄像机同步记录，得到静水中气泡上升三维轨迹。随着气泡直径增加，轨迹由直线形向Z字形、螺旋形转变。提出了Eo=0．5、Re=750为直线形和z字形轨迹转变临界值。当面>O．8、Re>800时气泡运动轨迹为Z字形或螺旋形，轨迹形’本研究得到国家自然科学基金项目(批准号：50579085)和高等学校博士学科点专项科研基金(编号：20060700001)资助1\n西安理工大学硕士学位论文态比较随机，没有明显的临界值。(7)验证了国内外文献提出的阻力系数预测式，得出Tomiyama等给出的预测式最适用于本文尺寸范围气泡，为数值模拟计算选择阻力系数模型提供参考。(8)分析了气泡在静水中上升受力情况，认为阻力和浮力为主要作用力，惯性力和视质量力的作用需要考虑，可以忽略Basset力、Magnus升力、重力的作用。(9)对反弧段水流中气泡受力情况初步探索分析，认为对于微气泡来说升力占主要地位，其次为阻力，惯性力、视质量力需要考虑，Basset力可以忽略；而对于中等尺寸来说，阻力是主要作用力，其次为升力、惯性力、视质量力，Basset力可以忽略。．(10)对比了气泡在静水(无横向速度梯度)和水流中(有横向速度梯度)的上浮运动过程中的受力情况。提出了在计算气泡上浮运动过程中的阻力时，可以不考忠载体(刃：)有无横向速度梯度：但计算升力时，必须考虑载体(水)的横向速度梯度。关键词：水气两相流；气泡；运动规律；PIV2\nTitle：EXPERIMENTALSTUDYONMOTIONRULEOFBUBBLEINWATERBYPIVTECHNIQUES‘Major：HydraulicsandRiverDynamicsName：BAIYunyanSupervisor：Prof．CHENGangLect．SHAOJianbinABSTRACTsignature．匦姿墼Signature：Signature：5选』!竺!』．LTheak-watertwo-phaseflowexistsinvariousfieldswidelyBecauseofcomplexityoftheflowandlimitedbymeasurementmethod，theresearchofbubblesmovinginflowisstillnotdeep．Avoidingthecomplexfactorsaswalleffectandimpactofbubbles，theexperimentalmethodofsinglebubblerisinginstillwateristheidealresearchwayofaerationflow,whichwillbeareferenceforstudyingaerationflow．Thepresentpaperreportsallexperimentalstudyonbubbleregularityrisinginawatercolumnandogee—sectioninspillwaYtunnelbyPIVtechniquesandimageprocessingtechnology．Themaincontentsandconclusionsareasfollows：(1)TheapplicationofPIVtechniquesinobtainingbubbleparameterwassummarized，suchasbubblesize，shape(aspectratio)，trajector)；velocit)；acceleration，piezometriclineandSOon．(2)Aexperimentalapparatusandschemewhichcangeneratebubbleswithdifferentsizeandindependentweredesigned．UsingPIVmeasurementtechniquetoobtainmotionparametersofsinglebubble，suchasthebubblecharacteristicsize，instantaneousvelocityandtrajectory．Finall)jseveralclearanddetailedexperimentalconclusioswerepresentedwhichwouldprovidreferencesforfurtherexperimentalOrnumericalstudy．(3)Theobservationanddescriptionofaspectratioofsub—millimeterbubblerisinginstillwaterwasrealized．Thecriticaldiameterwhichshouldconsidertheinfluenceofbubble：Sshoewasintherangeof以。=0．5ram～lmm．(4)Theregularit)7oftheradialinstantaneousvelocityofbubblesrisinginstillwaterwassummarized．Itwasreportedth戤instantaneousvelocitycurvesanddeformationCHIVES+ThestuB'isfinanciall3’supported砖’theNationalNaturalScienceFoundationofChina(50579085)强dthePh．D．ProgramsFoundationofMinista3．7ofEducationofChina(No．20060700001)\n——．．西安理工大学硕士学位论文——————————————————————————————————二-————二_二—=二二——一一werewelllinearrelatedb，as∥=一rinthecertainrange．(5)Thebubblediameterof以。=1．7ram"--'2mm(面=0．4"--0．6、Re=650～750)wasproposedastheinflexionofterminalvelocity，．Availablecorrelationsofterminajvelocitywereverified，andthecorrelationproposedbyJamiaiahmadishowedageneraltendencytowellde『predictionwitherrorlessthan1O％．(6)Thethree-dimensionaltrajectoriesofbubblesweremeasuredbytwohigh．speedcamerassynchronously．Thetrajectoriesofbubbleschangedfromstraightlinetozigzagandspiralwiththeincreaseofbubbles’diameter．ThecriticalvalueoftrajectoB’transformingwasproposed，itwouldchangefromstraightlinetozigzagⅥ，bile面>O．5、Re>750．butitwasnotclearlwhenitwouldchangefromzigzagtOspi：“i：i；motion．(7)Severelcorrelationsofdragcoefficientobtainedinliteratureswerevirified．T’necomparisonsshowedthattheoneproposedbyTomiyamaetc．gavethebestresultintheobservedrange，whichwouldbehelpfulfornumericalcalculationwhenselectedmodelofdragcoefficient．(8)Theforcesofsinglebubblewerestudied．Thedragandbuoyancywerethemainactions，andinertiaforceandvirtualshouldbeconsideredatthesametimewhileBassetforce，Magnusliftandgravit)rcouldbeneglected．(9jApreliminaB,explorationandanalysisweremadeoftheforcesofsinglebubbleinogee—sectionofspilfwa?7tunnelb37PIVtechniquesItwassuggestedthatliftptayed乏dominantroleformicrobubbles．Inertiaforce，drag，virtualmassforceplayedasecondroleforthem，However，dragholdedanimpo芄ampositionformediumsizebubbles，andlift，inertiaforce，virtualmassforcemadelesscontributionstOthem，Bassetforcecouldbeneglectedeither，(10)Theforcesofbubblerisinginstaticwater(non-lateralvelocitygradient)andflox^’(1ateralvelocitygadiem)werecompared．Itwasdearlythattateratvelocitygradientcouldbeneglectedwhenanalyzingdrag，buttheliftwasopposite．Keywords：air—watertwo—phaseflow；bubble；motionlaw；PtV2\n目录——————————————————————————————————————————————————————一符号说明表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ll绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．】1．1研究背景及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．11．2掺气减蚀中掺气水流的实验研究进展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．11．3液体中气泡运动特性的研究进展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯31．3．1静止液体中气泡运动特性的研究进展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯31．3．2运动液体中气泡运动特性的研究进展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯61．3．3数值模拟在气泡运动特性研究中的应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6】．4PIV技术在掺气水流测量中的应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．71．5本文的研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72PW技术在掺气水流测量中的一般应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．92．】PⅣ技术简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．92．2PW技术基本原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．92-3PIV在气泡运动参数测量中的应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．92。3．1气泡特征尺寸⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一102．3-2气泡上升瞬时速度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一ll2．3I^气泡运动轨迹⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1】2．4PIV在掺气水流参数测量中的应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯122．4．1水流自由面⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．122．4．2气泡空隙率⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．122．4．3气泡浓度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．132．4．4气泡尺寸分布⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．132．4．5水流流场速度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．142．4．6气液两相流流速⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯～152．4．7滑速比⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．152．4．8流线图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一162．4．9涡量图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．162．5小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．163静水中单气泡运动的PⅣ图像测量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．193．I实验装置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．193．2实验方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2l3．2．1气泡生成方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2l3．2．2拍摄速度的选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2l3．2．3视窗范围的选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2l3．2．4拍摄比尺的选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．223．3数字图像处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯～233．3．1图像分割⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一233．32图像填充⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．243．3．3图像处理结果检验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．253．4数据采集及处理的误差分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．263．4-l图像采集及处理误差⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．263．4．2其他因素引起的误差⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．27\n西安理工大学硕士学位论文3．5静水中单个气泡的运动规律分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．273．5．1气泡当量直径的定义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一273．j．2气泡投影面积的定义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一273．5_3气泡上升运动的变形特性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯283．j．4气泡上升运动的瞬时速度分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯333．5．5气泡上升运动的变形特性与瞬时速度对应关系分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯363．5．6气泡上升运动的终速度分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．弛3．5．7气泡上升运动的轨迹分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4j3．6气泡上升运动受力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4二3．6．1惯性力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．之33．6．2阻力和阻力系数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．‘33．6．3重力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．463．6．4加速度力(纵向速度梯度力)⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．463．6．5横向力(横同速度梯度力)⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．483．6．6压强梯度力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯“)tl3．6．7气泡上升过程受力的实验数据分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．三l3．7小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一：)4泄洪洞反弧段单气泡运动的PIV图像测量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯·：≯4．1实验装置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3≯4．2实验数据采集⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一bu4．2．1气泡生成方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯··0114．2．2坐标系的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6u4．2．3速度分量的定义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯··bl4．2．4实验工况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一叱4．3反弧段流场中与静水中气泡运动的受力分析比对⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一634．3．1反弧段流场中气泡运动受力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．634．3．2动水与静水中气泡受力分析对比⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯674．4小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯：⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯·“5结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一∞5．1砭究结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯··”5．2进一步的工作展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一八’致谓扎⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。“参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一、附录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯79^\n符号说明表’，——终速度，ITL／S；1，——速度，m／s：a——断面空隙率；C一一气相在两相流中的体积百分比，％：．J，：——图像中第j个气泡的直径落在第i个区间叱，尺，】的概率，％：S——滑速比，m／s；∥——流函数场；Re——雷诺数：Eo_Eotvos数；坳——莫顿数：We——韦伯数；厂——下标，代表流体参数；，——下标，代表液体参数；P——下标，代表颗粒参数：g——下标，代表气体参数；以——气泡的高度，ram；矾。——气泡的长度，ram；矗，——上水面线对应的水深；九——下水面线对应的水深；吃——平均水面线对应的水深；么——气泡形心距装置底板高度：饥——水面线距装置底板高度；么。——气泡图像所占像素个数，像素2：C——气泡浓度；E——气泡图像的长宽比；，．——半径：d——直径；吃。——当量直径，mm；￡——拍摄比尺，像素／ram；V——体积；吃——气泡当量体积，mm3：Q——气源流量，ml／min；N一一单位时间产生的气泡个数，个／min；匕——水平方向的速度分量：’≥——竖直方向的速度分量；r。——气泡形心坐标x轴方向分量；儿——气泡形心坐标y轴方向分量：z——气泡上升运动高度两个连续气泡之间的距离，lnm；和——密度差，kg／s2；6——不确定性误差；口——动力粘滞系数，kg／s：m：p——密度，kg／m3dr——表面张力，N／m：0——惯性力；，c。——阻力(拖曳力)；C。——阻力(拖曳力)系数；r——粘性比率(石=心／,uc，／2D是非连续相的动力粘性系数；比是连续相的动力粘性系数)；h1g——重力：，m——视质量力；P——压强；”舅——水平速度分量；’母’——铅垂速度分量；”g——运动总速度；’gr——径向速度分量；’’gr——轴向速度分量；\n西安理二大学硕士学位论文0\n第1章绪论1绪论1．1研究背景及意义随着我国经济建设的持续高速发展，对能源的需求不断增加，水利水电事业发展迅速。大坝坝高由20世纪60年代的lOOm级提高到近年的300m级n1。一批大容量、高坝7J。：电项目的兴起给工程技术提出了新的挑战，高速水流泄水建筑物过水面的空蚀破坏就是其中之空蚀不仅破坏泄流建筑物的过流表面，影响过流性能，降低泄流能力，严重时会导致泄流建筑物不能正常运行，甚至引起振动，导致整个工程破坏。仅采用控制壁面不平整度及抗空蚀材料的方法，往往不能奏效。造成空蚀发生的因素比较多，经典实验证明，空蚀破坏强度的增加和水流流速的5～7倍成正比。从已建成的20座特高拱坝看，20％以上的大坝不同程度都发生了这种破坏，有的相当严重[210早在20世纪60年代初期，国外就开始采用掺气减蚀的措施，70年代，我国开始了掺气减蚀技术的研究。多数工程在采用掺气减蚀措施后空蚀问题得到了避免或大大减轻，而且降低了对泄水表面不平整度的要求。根据工程实际运用，认为掺气减蚀是防止空蚀破坏最经济、最有效的方法n1。虽然使用掺气减蚀技术已有了丰富的工程经验，但是由于水气两相流的复杂性，加上实验量测手段的限制，对掺气水流运动规律的了解和认识不够深入，例如，一直以来，泄洪洞反弧段掺气气泡运动规律缺乏实验说明和理论解释，阻碍了掺气减蚀的实际工程应用。所以，研究掺气水流的相关理论特性必然对工程建设具有重要意义。1．2掺气减蚀中掺气水流的实验研究进展近50多年来，国内外大量的工程实例说明，在高、中水头泄水建筑物中的某些部位，当设计不周或施工不慎时，常常会发生材料剥蚀的现象。实践证明，掺气减蚀是解决空蚀破坏的有效途径。掺气为什么能够减免空蚀?根据现在的认识，主要有下面几种机制“1：(1)掺气降低水流中声速，削弱国壁面上的空化载荷。空泡溃灭压强与介质中的声速成正比，而介质的声速随掺气浓度的增加而迅速降低，当掺气浓度达到3％时，近壁空泡溃灭压强约缩小为1／60。(2)掺气增加水流含气量，提高水流空化数。从掺气量为零开始，空蚀速率随着含气量增加而增大。但当掺气量进一步增大时，当水中形成了肉眼可见的气泡时，空蚀速率随之减小‘51。Hammitt．‘61给出了初生空化数和空蚀速率与掺气量的定性关系，见图卜l。\n西安理工大学硕士学位论文f愕⋯一谶∥“，∞旺．～_’^-．～j：^——-·．V图卜1初生空化数和空蚀速度与相对掺气量的关系Fig1一iIncepuonsigmaanderosionrateversusrelativeaircontent(3)掺气改变近壁气泡的溃灭过程，减少固壁受力。近壁层的液体掺气后就像在霉壁表面盖了一层刚性很小的可变形层，它对溃灭泡有排斥作用，使其远离固壁，并使溃灭泡的微射流改变射向。正是空泡溃灭过程的这～重要变化，使固壁不再承受由空泡溃灭微射流转化的最大溃灭压强，同时，因溃灭泡远离固壁，也大大削弱了作用在固壁上的最大辐射压强，从而减轻了固壁的空蚀。Peterka”¨钉等的实验表明，当水中掺气浓度达到1％'---2％时，能大大减轻固壁面的空蚀破坏；当掺气浓度达5％～7％时，空蚀破坏完全消戋。但在原型观测中，常有掺气浓度小子2％～3％，而并未发现空蚀破坏的例子。如鲁布革水电站左岸泄洪洞距离上掺气坎下游较远处掺气浓度为0。498，距离下掺气坎下游较远处掺气浓度为1．4％，均未发现空蚀破坏臼1。陈先朴等n∞认为以上情况说明，以掺气浓度作为掺气减蚀保护作用的工程设计标准需要进一步深入研究。从掺气减蚀机理分析，与掺气保护作用关系最密切的是单位体移内的气泡数量，丽不是掺气浓度。当单位体积内气泡尺寸很小时，只要很小的掺气浓度就可以达到掺气减蚀保护作用。因此，小尺寸气泡的掺气浓度作为判断掺气减蚀作用日'^。。剐tnt示将更为准确。这一理论越来越受到相关学者的重视。在对掺气减蚀的研究过程中，除了对掺气建筑物体型设计优化、掺气方法、掺气枫理等方面的研究，有学者认为近壁区域内的掺气气泡才对掺气减蚀产生作用。所以，气泡(空泡)在水中的运动特性和规律的研究显得尤为重要．在1．3耄节中将对气泡运动特性的西究现状进行详述。从趋势土来看，对掺气减蚀中掺气水流的实验研究已经由宏观概况描述走向微观细致描述，在对掺气的认识上由掺气断面平均量到一断面上沿水深方向掺气浓度的分布。今后这一领域将向更微观、细致的掺气气泡不同运动参数下的运动特性研究方向发展。2\n第1章绪论1．3液体中气泡运动特性的研究进展1．3．1静止液体中气泡运动特性的研究进展由于气泡广泛地存在于水利、化工、生物、医药、船舶减阻、热能、环境保护等各个工程领域，所以气泡在水中的运动规律受到国内外众多专家学者的关注。单个气泡在静水中的上升运动特性的研究是掺气水流理想状态下的研究方式，排除壁面效应及气泡之间的影响等复杂因素，属于基础性研究，被国内外学者广泛采用，目前，静水中气泡运动特性的研究主要从以下几个方面展开：气泡运动速度、气泡静水中上升轨迹、气泡受力分析等。a．气泡上升速度的研究当气泡在静止液体中的自由运动时，在较短的时间内气泡受力就会达到平衡态，会阻几乎不变的速度上升，即达到所谓的终速度。关于气泡的终速度按照形式的不同有3种不同的假说H81：(1)第一区域(粘滞力占主导地位)：在液体中气泡是球形或接近于球形，粘滞力和浮力控制着气泡的运动。气泡的终速度随气泡直径的增大而增加。(2)第二区域(表面张力占主导地位)：液体中的气泡的表面张力和惯性力决定着气泡的终速度。此时气泡不再是球形，而且气泡的终端速度随着气泡直径的变化可能增大，不变或减小。即伴随着直径变化的上升速度的变化趋势有多种可能性。出现这种情况的原因现在还不能完全弄明白。原因可以归因于气泡表面的污染，或尾迹结构的演变，或者气泡形状的摆动(可能由于注入方法所引起的)n钉托们。(3)最后一个区域(惯性力占主导地位)：对于较高面数的气泡是球冠形的。气泡的运动由浮力和惯性力所决定。在此区域中，终速度随气泡直径的增大而增大。除了对气泡上升终速度与气泡当量直径之间的关系研究之外，众多学者也提出了若干终速度的计算表达式。但是，并没有统一的形式。普遍被采用的是考虑气泡仅受阻力和浮力作用的情况，当直径为t。、密度为p。的球体在密度为|D，的流体中以速度、’匀速沉降，则当重力和浮力达到平衡状态后，我们就可以得到气泡终速度表达式：■=其中，p，为液体密度，pp为颗粒密度，岛为气泡当量直径，CD为阻力系数。Tomiyama等k2’提出了一个在表面张力占优势的机制下预测气泡终速度的新模型，这一模型不仅考虑了气泡上升运动中的变形因素(用气泡长宽比E表示)还考虑了尾迹对气泡终速度的影响(用流动偏移垂直线角度≯表示)终速度可表达为：\n西安理工大学硕士学位论文其中，1"11=cos彩J；=g(m，E)厅(，”，E)2：翥乒靠÷石嘉r；j}浠一212沏，E)：一丝：兰2×坚!塑兰l芒型坠璺‘‘’√(1一E2)(1一刀2：)l—E—b。气泡上升运动轨迹的研究从多数研究来看，小气泡在水中的上升轨迹是～条直线。大气泡的运动轨迹不再稳定出现Z字形，而更大些的气泡运动是螺旋形m’‘弛钉。Wu和Oharib池1研究球形和椭球无：气泡在清洁水中的运动轨迹，表明当气泡当量直径达到厘米级时，椭球气泡(e]lipsoidalbubbles)呈现螺旋形运动轨迹而球形气泡(sphericalbubbles)遵循Z字形(zigzag)不稳定性运动轨迹。Saffmann盯观察到半径小于lmm的气泡在水中上升运动轨迹仅为Z字形，但大些的气泡运动轨迹受不同因素影响既有Z字形也有螺旋形。Feng和Leal‘2盯不同形状就会表现出不同的运行轨迹。在Re=600时，单个气泡可以出现Z字形轨迹并在气泡尾部伴随有旋涡的脱落。在相同的实验条件下，Yoshida和Manassehn∞指出气泡可以出现螺旋形轨迹而无尾涡脱落。Shew和Pinton“n表示小气泡在聚合体液体中的运动轨迹在开始时变化明显，并且表示对于渐增的气泡尺寸轨迹的分离在聚合液体中比在水串慢。bewsbury“21等人研究了非牛顿流体中大气泡和终速度直接的关系。7suge和Hibinc。“31表示球形和椭球形气泡在高雷诺数中的上升运动轨遮是相同的。文献中关于气泡运动轨迹的说法相互之间还存在矛盾之处，特别是对于当量直径达到厘米级时的气泡来说，气泡运动轨迹的影响因素变得更复杂多变，不同的实验条件下就会呈现出不同的实验结果。所以，此问题还有待于进一步研究和探讨。c．气泡受力分析气泡在不同的运动状态下受力情况差异较大。目前对气泡受力分析主要集中在理论分析，简要介绍如下，具体分析见章节3．6。(1)粘性阻力气泡在流场中运动的粘性阻力一般可以当成气泡均匀绕流问题来求解，而其来流速震为气泡运动的相对速度n—v。l。当气泡的特征雷诺数Re(Re：!塑捌)很巧、时。可以‘。“按蠕动流理论计算空泡运动阻力：而当气泡特征雷诺数很大时，可用空泡表面边界层理论计算。空泡运动阻力一般可表示成4\n第1章绪论％=了Gp，rh_1'P胁，一1'p)(1-3)其中，4为气泡半径：Pr为流体密度；∥，为流体动力粘性系数；V．r为流体速度；V，为气泡速度；CD为阻力系数。(2)重力和浮力气泡在流场中运动时，其重力为‘=(4／3)万3岛g(1．4)流体施加在气泡上的浮力：E=(4／3)m—Pfg(1．5)(3)压力梯度力当气泡在有压力梯度OPlg'x，的流场中运动时，则作用在气泡上的压力梯度力为：．43aP，-】一一3∥。瑟假设所在计算范围内aP／缸，为常数，(1．6)其中P为流场压力；X为坐标位移。(4)虚拟质量力当气泡相对流体加速运动时，不但气泡的速度越来越大，而且在空泡周围的流体速度亦会增大，推动空泡运动的力将大于加速空泡本身所需的刀l口，这好像是气泡质量增加了一样，故加速这部分增加质量的力被称为虚拟质量力。实质上虚拟质量力为由于空泡作变速运动引起空泡表面上压力分布不对称而形成的。它的理论表达式可写成：‰=詈刀3州掣al一争(1-7)j“Z(5)Basset力当空泡在粘性流体中作加速运动时，将受到一个瞬时流动阻力，它涉及了空泡的加速历程，它的理论表达式可写成瓦=弘"。mPilXsS-‘。(警型d?r)鲁(1．8)(6)Magnus升力空泡在有速度梯度的流场中运动时，由于冲刷空泡表面的速度不均匀，空泡将受到一个剪切转矩的作用丽发生旋转。一般在低剪切雷诺数Re情况下，认为球形气泡的旋转角速度缈?为口，+=一O．5V×1，r(1．9)\n西安理工大学硕士学位论文Rubino和Keller轴¨对球形空泡在流体中边运动边旋转所形成的升力给出了计算公式E五=刃，3。．r刃，4×(1，．r一1'p)(1．1。)将彩zglA上式，则可得耻尹1卜．门’-r叫’，，l等一警j㈦n，其中角标j为张量坐标。一般说来旋转升力与重力有相同的数量级n"。(7)Saffman升力空泡在有速梯度流场中运动时，由于空泡表面各处的速度不一样，从而形成表面各点的压力不一样，这样空泡将受到一个称为saffman升力的作用，它的表达式可写成“”：瓦∥∥培V日II／a,剥㈦蚴(8)空泡内压强和空泡表面张力如果泡内压强只+乞可认为各处均匀，则它对空泡作用力的总和为零。不过它和壁外流体压强P及表面张力将引起空泡的径向运动，空泡在初始状态下的静平衡方程可写成：咒=只+二。一20"／五(j．】3j其中：只为初时刻泡外壁压强：只为饱和蒸汽压强：‘为空泡内售件V,-P从)J／匠JL2j．星墨：只。先初始时刻空泡内气体分压强：F为流体表面张力系数：I；为初始时刻泡半径。盖．3．2运动液体中气泡运动特性的研究进展运动液体中气泡的动力特性的研究较静止液体要复杂得多，在水利工程领域，掺气减蚀成为动水中气泡运动特性研究的主要应用目的。传统观念上，与掺气减蚀效果关系否器的是气泡浓度，但近年来淮河水利委员会水利科学研究院的陈先朴等人研制成功了针式掺气浓度流速仪‘371并对小浪底原型及模型进行了实验，在对掺气水流中气泡尺寸的分布方面的研究获得了进展沁引1圳，提出了与掺气保护作用关系最密切的是单位体积流体内的售：泡数量，而不只是掺气浓度n们沁引。因此，掺气水流的气泡数量、气泡级配和气泡分布成为研究焦点。而运动液体中气泡的运动规律由于流场的复杂性和实验条件的限制，一妻赶三没有得到相关学者的比较统一的说法。王．3．3数值模拟在气泡运动特性研究中的应用数值分析是指对气泡运动方程进行数值方法求解，从而得到气泡各运动参数。诲卫薪“”通过数值计算后，得出空化气泡的产生原因、临界半径及边界层流动对气泡空化的影响。Hsu—ChiehYeh和Wen—JeiYang“21通过对气泡动力分析建立方程并求解，得到在汇6\n第1章绪论场和源场中气泡的运动特性。蒋炎坤“q建立了一个气泡运动数学模型，对模型进行求解，通过仿真得到气泡特性。D。DeKee、C。F．ChanManFong和J．Yao“们的分析推广到非牛顿流体中，建立数学模型对气泡进行讨论。倪明玖“"采用直接模拟方法，研究气泡在浮力作用下的变形机理及气泡尾部驻涡形成机理，用VOF(v。tumeoffluid)方法捕捉界面获得了气泡平衡时的上升速度，并探讨气泡内部环流和气泡尾部驻涡间的关系。1．4PIV技术在掺气水流测量中的应用粒子图像测速(ParticalImageVelocimetry，简称PIV)技术是～种基于流场图像互相关分析的非接触式二维流场测量技术，是水气两相流实验测量技术的学科前沿。PIV技术的基本原理就是在流场中散播一些示踪性与反光性良好且比重与流体相当的示踪粒子，用自然光或激光片光源照射所测流场区域，形成光照平面，使用高速摄像机等摄相设备获取示踪粒子的运动图像，记录相邻两帧图像序列之间的时间间隔，并对拍摄到的连续两幅PIV图像进行互相关分析，识别示踪粒子图像的位移，从而得到流体的速度场，即1，矿矿一yU=lim竽，F?=lim等÷‘2一>7l‘2一t1‘2一>fl‘2一‘1其中图像处理算法由下面四部分组成：(1)图像粒子的标定；(2)连续两幅图像中粒子的对应；(3)粒子速度的确定；(4)误对应粒子速度的判断及其消除。它的突出优点表现在：(1)可实现全流场离散相瞬态测量：(2)对流量无扰动；(3)容易求得流场的其他物理量，由于得到了全场的速度信息，可方便地运用流体运动方程求解诸如压力场、涡量场等物理信息。但也不可避免地存在局限性：(1)DBHann和CAGreated“”对PIV测试技术的局限性进行了分析，指出如果示踪粒子运动居4烈的话，将会跑出分析窗口，导致进行互相关分析时示踪粒子发生变化，从而得到错误的互相关函数，直接影响PIV技术的测试精度，甚至得到错误的结果。(2)对于较高掺气浓度的高速水流，流体呈乳自色，光线无法穿透，PIV技术此时无法奏效。1．5本文的研究内容1．从掺气水流研究和液体中气泡运动特性的研究两方面，总结水气两相流中气泡运动特性的研究现状及发展方向。2．总结分析PIV技术在水气两相流测量中的一般性应用现状，以及PlY技术在气泡运动参数测量和掺气水流参数测量中的具体应用方法。在总结分析PIV技术测量气泡运动参数方法的基础之上，提出误差更小的气泡特征尺寸的计算方法。\n西安理工大学硕士学位论文83．设计了研究静水气泡运动规律的实验装置及实验方案，利用两台高速摄像机同步获取当量直径为0．5mm'---'4．7mm的单个气泡各运动参数(当量直径、变形值、瞬时速度、终速度、运动轨迹、受力情况等)，分析气泡在静水中的上升运动规律，意在定量或定性地提出特征参数以供后续实验研究或数值分析计算参考。4．验证文献中的阻力系数预测式，为数值分析计算选择模型时提供参考，并分析各作用力对气泡的作用情况。5．利用PIV测量技术对雅砻江水电开发中的泄洪洞反弧段的实验模型水流中的气泡受力情况初步探索分析，并与静水中气泡受力作对比，提出一些初步结论，为掺气减蚀理论研究提供参考。\n第2章?IV技术在掺气水流测量中的一般应用2PIV技术在掺气水流测量中的一般应用2．1PIV技术简介PⅣ(ParticleImageVelocimetry)粒子成像速度场测量技术，是二十世纪七十年代末发展起来的一种瞬态、多点、无接触式的流体力学测量技术。其本质是上流场可视化技术的新发展，是与激光、电子、摄像和计算机技术紧密相关的新兴测量手段。传统的流动显示技术利用一些典型的流动将流动直观体现，有时候可以获得很好的效果，但其精度较低，比单点测量的LDV(0．1％)低一个数量级，仅为1％左右。而LDV作为单点测量技术，虽然测量精度较高，但是难以实现对流场的全场、瞬态测量[4710这就是说，能获得整体结构和瞬态图像的流动显示很难获得精确的定量结果；而精度高、分辨率好的单点测量技术难以获得流场的整体结构和瞬态图像。PIV技术就是在传统流动显示基础上，利用图形图像处理技术发展起来的一种新的流动测量技术。它综合了显示测量技术和单点测量技术的优点，克服了两种测量技术的弱点而形成的，既具备了单点测量技术的精度和分辨率，又能获得平面流场显示的整体结构和瞬态图像。2．2PIV技术基本原理PIV技术的基本原理就是在流场中均匀撒入一些示踪粒子，这些示踪粒子的特点是反光性良好且与被测流体比重相当，以示踪粒子运动速度代其所在流场内相应位置处流体的运动速度。应用强光f片形光束)照流场中的一个测试平面使用照相设备记录下两次或多次曝光时示踪粒子的运动图像，通过两个诊断窗口的互相关性得到诊断窗口的面积平均位移，并根据拍摄速度计算相邻两帧图像间的时间间隔，由此便可得到流场的流速矢量，并计算出其他运动量(包括流场速度矢量图、速度分量图、流线图、漩度图等)。2．3PIV在气泡运动参数测量中的应用对于气泡的实验研究有两类基本的技术方法：声学和光学技术。其中光学技术主要有照相技术、激光散射技术和激光全息技术。在诸多光学技术中，用PIV技术来研究气泡，具有更直观、方便、设备精简等优点，可以获得更准确、丰富的气泡运动参数信息。理论上讲，应用PIV技术研究单个气泡在流场中的运动，属于PIV技术应用的一个分支，即低粒子图像密度模式的测速方法一一粒子跟踪测速技术(ParticleTrackingVelocimetry，简称PTVl。当流场中粒子浓度极低时，我们有可能识别、跟踪单个粒子的运动，从记录的粒子图像中测得单个粒子的位移，这种低粒子图像密度模式的测速方法即为PTV技术t481。当然，也可以通过数字图像处理技术获取更多气泡运动参数信息(包括\n西安理2"-大学硕士学位论文气泡尺寸、形状、运动轨迹、运动速度、运动加速度、尾迹等)。2．3．1气泡特征尺寸气泡的特征尺寸是由获得的影像剪辑的静止图像的投影信息计算得到的。通过编程或图像处理软件进行图像分割，比如通过设定图像灰度分布的阈值的方法将图像灰度value设置为0或255。通过以上算法得到了对应的二进制图。从中以像素为单位测量得到气泡的高度(吃)和宽度(以．)及投影面积么。根据相机的校准数据(即拍摄比尺上，pixel／mm)把以像素为单位的测量结果转换为长度(毫米)单位。a．气泡投影面积在二值化图像中，气泡的面积就是连通域的像素和。用四连接或八连接贴标签法(吴体参见3．3．2中b小节)对连通域进行表示，将相同标签号像素数累计，就可以得到以像素为单位表示的气泡投影面积。根据像素点代表的长度单位，就可以换算气泡的实际蘑积。h，气泡长宽比长宽比是将细长目标与近似长形或圆形目标进行区分时采用的形状度量1491计算公式定义如下：E：生㈨1d*其中，矾．利用数字图像处理方法获得包围连通域白勺最小矩形的宽度像素值得到自≈；丽矗是包围连通域最小矩形的长度像素值。对于气泡来说，通常情况下E≤l，丽且E越接近1就说明气泡越圆。c．气泡当量直径从参考的文献中总结出，计算气泡当量直径d。。有以下几种方法(1)由气泡的高度(瓯)稿宽度(或，)计算d。，计算公式如下[501：d。。=(d。×以)j(2．2；(2)由气泡的投影面积S计算以。，计算公式如下：‘deq-=√寿∞3j(3)由气泡的当量体积值心计算d。。。d矿影》江4)一些学者对吃也提出了具体计算公式，比如以-V--种计算方法"∞-[51I：10\n第2章P!V技术在掺气水流测量中的一般应用％=Q／N×103(2—5)其中Q为气流量，ml／min：N为单位时间产生的气泡个数，个／min。F乙=213×0r妒化d鲫‘a)×maxaxis)f2．61=2／3×(s-p／2—1)x帆-1)≯二=4Ⅱ×kin蕊)×(minaxis)：／24f271=4靠以以／242．3．2气泡上升瞬时速度用数字图像处理程序批处理气泡运动影像图片，再将图片进行数据分析，提取出气泡形心坐标(x，，y，)，形心坐标计算方法如式(2．8)。以气泡形心质点代表气泡，通过形心运动距离及时间间隔即可计算出气泡在某上升高度处的瞬时速度，计算式如式(2．9)。根据相机拍摄比尺三将像素单位转换为长度单位。单个气泡内各像素数X方向的坐标和“‘单个气泡内总像素个数，，，叭‘单个气泡内各像素数Y方向的坐标和、’门单个气泡内总像素个数，，：(1im等华)弛xlooo)(2．9)t2"-÷tjZ．一f，，，为气泡在高度为弘处的瞬间上升速度，m／s：Y2是气泡在f二时刻竖直方向的像素坐标，像素：y，是气泡在f，时刻竖直方向的像素坐标，像素：L为拍摄比尺，像素／mm。2．3．3气泡运动轨迹将得到的气泡截面图进行图像分割等批处理后，提取气泡相同时间间隔(如At=n／1000秒或At=n／1500秒，，j．1,2，3⋯，刀∈：)的某些时刻运动图像进行叠加，即可得到单个气泡在视窗范围内上升运动轨迹示意图。由于高速摄像机的拍摄速度较大，例如采用的拍摄速度为】000帧／秒或1500帧／秒，当，，取值较小时，两帧气泡图像时间间隔偏小导致气泡截面图重合，无法分辨气泡轮廓和形状。所以，当气泡相机拍摄速度较大时需要设定适宜的力值，才能得到更清晰的气泡上升运动轨迹图。当然，如果相机拍摄速度较小，取刀=l也可以得到清晰地分辨气泡轮廓和形状的轨迹图。如文献H21在拍摄速度为250帧／秒时得到的气泡轨迹图，就是取，7_l得到的，如图2一l所示。\n西安理工大学硕士学位论文t：”船§轴嚣-J：{枯．-2．；辩：二：ma工g靛=．i：?2#图2—1拍摄速度为280帧／秒，77=1的气泡轨迹图Fig2—1Theimageofbubblestrajector3’infps=10007n=l2．4PIV在掺气水流参数测量中的应用2．‘{．1永流自由面用高速摄像机对水流流场进行{刍摄，不同瞬时得到的水面线不同，将得到的多帧水匿线图像叠加得到平均水面线。平均水砸线是由上下边界包围的水面区域，将上下边界分易：记为上水面线和下水面线。焉图像处理技术获取上下水面线对应E”、JZ’I,深，分别以矗．、玑襄示，餍式魄+忆)／二计算出平均水面线对应的水深记为吃。在研究反弧段模型中气泡运动时，气泡主要分布在过流断面的中心位置，断面中一亡·自：水位最低，用水位测针得到的水面线与图像测量中距离下水面1／4位置处盛线对应的水环、’．-r7值最相近，所以，此时用距离下水面线】／4位置处的曲线对应的水深值近似代表水流自主面才：深，也就是将(亿。hm)／2作为水流自^斋IKi．一j。。“2F．。2．4．2气泡空隙率在预测气液两楣混合物的平均密度和计算流场加速引起的压降时，需要计算空泡傍额[521。对气液两相流，气相的空隙率定义为：气相流通投影面积么。占通道总投影面积舀皂份额A[531又称为空泡份额、截面含气率[521、真实含气率或真实相含率，用口表示。a：垒(2l0一ja=If2j}A、。\n第2章PIV技术在掺气水流测量中的一般应用式中么。为气相面积，即为某一断面上所有气泡面积总和；A为断面总面积。用高速摄像机对两相流流场的监测区域某断面连续拍摄得到图片组，确定检测窗口(如32×32像素>及中心计算区域。将图片组进行图像二值化处理，沿监测区域自底部到自由水面依次取检测窗口，分别统计出每帧图像各检测窗口内的气泡面积，则图片组任意一个检测窗口内的气泡面积总和为：∑∑岛么。=型』L一(2．11)其中，4，为第f幅图像中某一检测窗口内第．，个气泡的面积，帧；所为检测窗口内气泡的个数，个：则断面的空隙率为：∑∑呜a：三!￡L一．2．4．3气泡浓度毫米2刀为图片总数，(2．12)在气液两相流中，掺气浓度表示气相体积占两相流总体积的百分比，瞬时的掺气浓度可以用下式表示：VC=i七×100％(2．13)哆手哆。其中，V。为气相体积：『／r，为液相体积。对于PIV的二维测量来说，气泡浓度可以通过下式计算：c=鼍蒜鬻枷。％仁聊。监测断面总像素数、’用高速摄像机对两相流流场的监测断面连续拍摄得到图片组，由于高速摄像机拍摄速度较快，以及气体初始流量的恒定性稚流场的定常性，所以认为得到的若干帧流场图像中气体浓度恒定。监测断面的像素个数属于拍摄参数为已知值，所以，只需要统计气泡像素数。首先，通过四连接或八连接贴标签法获得连通域个数即气泡的个数；其次，通过统计每个连通域包含的像素数统计气泡总投影面积；最后，将得到的图片组掺气浓度取平均值后就可得到瞬时掺气浓度。2．4．4气泡尺寸分布所谓气泡尺寸分布，即液相中某尺寸气泡个数占总气泡数量的百分比。具体实现步骤13\n西安理工大学硕士学．|立论文为：(1)用PIV技术在水气两相流中获取监测断面的图片组：(2)对图片组进行数字图像处理，按照前文中介绍的气泡当量直径测量方法得到各个气泡的当量直径；(3)以埘。为直径间距，按照式f2．is)将气泡直径划分为不同的区间，统计每个气泡直径落在区间中的可能性。．f。专萋点枷o％万：j1d∈[￡z，尽](2．15)6，2jo以，仨‰R]u·D’其中N表示气泡总个数；￡，、R分别为区间的左右界限，即R：厶+△也。。，则表示图像中第j个气泡的直径落在第i个区间【厶，R埔勺概率；(4)以气泡当量直径为横坐标(峨为单位长度)．f为纵坐标做概率分布图，就可以得到测量断面的气泡尺寸分布。2．4．5水流流场速度当水流流场中未掺气时，将示踪粒子(如空心玻璃球)放入水流中。在激光片光源的照射下，粒子的散射光能够被高速摄像机镜头(即CCD)捕捉，并将光信号转化为数享信号形成数字图像。通常的PIV提取速度场的算法是在间隔△t时间的两帧图像的相同位置上选取两个诊断窗口f(i，歹)和gq，。，)，诊断窗口的尺寸为MXN像素，将f(i，J)和g(i，J)按下式进行互相关：^彳一1N-]①磨(聊∥)=∑∑朋，．腱(j+nl，．，¨?)(2．16)相关函数①。峰值所在的位置即为粒子的平均位移。将诊断窗口对图像进行遍历，就可以得到流场速度场。速度的方向可以通过沿位移的方向的相关性进行判断。这种PtV技术对要求示踪粒子应尽可能的均匀且密度适中。对子示踪粒子较稀疏的流场，可以采用PTV方法更精确地跟踪粒子得到分散相宜勺信息。PTV技术不同于PIV技术，E并不是求解同一诊断窗口的粒子簇的平均位移，丽是对不同时刻的两帧图像中的各个粒子进行匹配。匹配的准则可以通过粒子的尺寸、形状、亮度或者他们的组合量之间的异同来判别1481匹配粒子在两幅图像中的位置差，即为匹配粒子在两幅图像的时间间隔时段内的位移。和PIV技术相比，PTV技术的不足之处是从许多粒子中识别出一个粒子是比较困难的，但这种技术的优点是无论两个粒子间距离有多小，它都可以识别出这两个粒子间的速度差异，而对于PIV技术而言，当两个相邻的粒子存在着速度差时，它是检测不出这种差异的。所以对于稀疏颗粒的速度的求解，PTV的计算精度要高于PIV。用v。，和y乃．分别表示粒子在水平和竖直两个方向的速度，则两者的计算式如下：14\n第2章PlY技术在掺气水流测量中的一般应用V彤=缸lira。。A△x，-V弘，=国li．m。。Ay△，(2．17)V彤。缸_。△，V弘’2国．_。△，瞄‘其中，缸和△1，分别表示粒子在水平和数值方向的位移，毫米；△f表示两帧图像时间间隔，秒。由上式可以进一步求得示踪粒子的速度矢量：V，2V+V刀．(2．18px1，刀‘l二．1}同理，水流流场中的气泡运动速度也可以用上述方法测量。2．4．6气液两相流流速PIV技术作为一种新的无扰、瞬态、全场速度测量方法，已被广泛应用于液体或气体的单相流流速场测定。但随着光学、图像分析等技术的不断提高，PIV技术的应用领域也不断扩展，许多学者开始尝试用PIV技术同时测量分散相和连续相的流场速度。以处理数字图像为重点，将示踪粒子和分散相分别从图像中分离，就可以实现两相流的同步测量。两相PIV技术的一个挑战性问题是如何将悬浮相和示踪相的粒子图像区别开来[5510PIV在两相流测量应用时，根据对图像中分散相和示踪粒子分离采取的方法不同可以分为以下几种基本技术[481：(1)荧光标记法。这种方法基于荧光粒子的与分散相的反射光不同来进行分离的；(2)亮度分辨法。这种方法基于连续相示踪粒子与分散相的成像灰度级之间的差异来进行相分离的；(3)粒径分辨法。基于连续相示踪粒子与离散楣粒子的颗粒大小之间的差异来进行相分离的；(4)中值滤波法；(5)双参数相分离法；(6)系综相关法。当实现两相信息的分离后，就可以把原始图像中示踪粒子和分散相混杂在一起的一幅图片，分离成仅含有示踪粒子和仅含有分散相的两幅图片。通过前一节介绍的流场速度分析方法，就可以分别求出图片组所反映的示踪粒子和分散相气泡的速度场。2．4．7滑速比在气液两相流流场中，滑速比可以反映由于重力引起的压降，是气液两相流中比较重要的参数之一。两相流中将气相速度与液相速度之比称为滑速比，记做S1531。1，S=羔f2．191V厂用pⅣ技术获得气液两相流中气泡和水流流场的速度，就可以计算得到滑速比lSr。\n西安理二大学硕士学位论文———————_—_————_———_—-_———————————————————————————————————————————一一一。2．4．8流线图在流场中的任意时刻，由无数个不同流体质点组成的一条曲线就是流线。流线上每一点的速度矢量方向和曲线在该点的切线方向相同。流线图能够直观地反映流场的流动方向和流体结构。对于不可压的平面流动，等流函数线就是流线，因此我们可以通过求解流函数方程获得流线图案[481。对于不可压的平面流动，等流函数(缈=(·)就是流线，并且满足v度：～掣。V彦=娑。1’露，V抄分别为流场速度的水平和垂壹分量。对已获得的流速场积分就可以‘’03：。’。。。’‘’7’。7‘‘’7’获得流函数场149]：∥2U／0+j_-V,sdx+p勇，方(220)2．4．9涡量图水气两相流中的存在的有旋运动可以通过PI、，技术给出涡量图，比如对予气泡尾迹能够给出比较直观的观察和描述。涡量是速度的旋度，是一个矢量场。根据涡量的定义，对于平面流动，涡量可表示为：石=沁=方¨出)㈤)丽涡量任意～点的切线方向与流体在该点的涡量方向一致，故等涡量线可以直观地震映涡量场的方向[561。对式(2．21)采用中心差分法逆行离散吕#可求得任意一点(f，J)从I^：I-V。ff口a]旦垡__2【48}：2．5小结而=夏Y墨÷l、／)一1’z(?～l，夕)V．、，f?，／牟1)一V。(f，．，一1)2知2zXx本章简单介绍了PIV技术和技术原理，重点。E。5，zd日=-。vPIV技术在掺气水流测量中的一般性应用现状。(1)分析总结了PIV技术应用的一个分支，即低粒子图像密度模式的测速方法一粒子跟踪测速技术(PTV)在气泡运动参数测量中的应用：可以获取气泡运动参数信息(包括气泡尺寸、形状、运动轨迹、运动速度、运动加速度、尾迹等)(2)分析总结了PIV技术在掺气水流实验研究中的应用，利用PIV狈4量系统可以获\n第2章PIV技术在掺气水流测量中的一般应用取掺气水流的很多参数信息，包括水流自由面、气泡空隙率、气泡浓度、气泡尺寸分布、气液两相流流速、滑速比、水流流线图、水流涡量图等。\n西安理工大学硕士学位论文18\n第3章静水中单个气泡运动的PIV图像测量3静水中单气泡运动的PIV图像测量3．1实验装置为了更好地观察气泡在水中的运动行为，本文设计了一个有机玻璃槽体，实验在槽体内进行。实验装置如图3一l所示，槽体尺寸为长x宽×高=i00×100×500mm，实验水位高为400mm。压缩空气经过空气缓冲装置后，通过控制阀门开度调节进气流量以产生单个气泡。在实验条件温度(25。C～30oc)下，气泡运动载体物理性质如表3-1示。气泡运动载体选用的是一次蒸馏水。／_。≥／h’／／孓：-_／—、_——多4-、F-2≮毒—7J<5遣辫飞r、|觏一芝>1．高速摄像机2．有机玻璃槽3。针头4．摄影灯5．流量调节阀6．稳压装置7．气泵8．同步触发器9．计算机10．五维方位控制台图3一l实验装置示意图1．CCDcameras2，Polymeth3哇methacrylatetaI出3．Nozzle4．Light5．Fiowcontrolvalve6．Regulatorunit7．Compressedairpump8．Synchronizer9．Computer10．fivedimensionalpositioncontrolorFig3-lSchematicdia笋amoftheexpenmentalapparatus本实验在垂直方向布置了两台高速摄像机，从两个方向捕捉单个气泡在水中上升运动过程。以日本NAC公司生产的MEMRECAMGX一1型高速摄像机(记为高速摄像机I)为主要拍摄设备，相机主要技术参数如表3—2。图像存储在摄像机的内部存储器中，其内存大小为4G。因此，图像的分辨率与拍摄时间成反比，即拍摄速度不变的情况下，分辨率设定\n的越大，每幅图像所占据的内存越大，相机持续拍摄时间越短，反之，则可以拍摄更长自专时1"9。如果一次性不需要拍摄4G大小的图像，可以将内存进行分区，该相机可以分别分为2、4、8、16个区。拍摄的图像可以通过USB外部存储器下载，也可以通过数据线直接连接到计算机上进行保存。保存的mcf文件通过与高速摄像机配套GXLink控制软件可以直接转化为BMP格式的序列图片或者其他格式的文件。本实验采用的拍摄速度为1500帧／’秒，对应像素值为224×1024--一576×1024。将美国FastecImaging生产的Troub]eShoote高速摄像机(记为高速摄像机II)放置在GX-1相机的垂直面辅助拍照，设置拍摄速度为1000帧／秒，对应像素值为640×480。利用同步艇发器实现同时触发两部相机，从两f"N面拍摄气泡上升运动过程。为了在后期图像处理过程中更好地提取气泡，两个相机在拍摄过程中都需要补光，补光方式为背投，光源为200W摄影灯。20表3—1水的物理性质Table3-1Ph．ysicalpropertiesofwaterphase，plUOf，1==}@霉采1ao。N·S／tit?。)∞im)25997O．8930．0720269970．8730．0718279960．8540．071728996O．8360．0715299950．8180．0714309960．8010．(}712表3—2高速摄像机1主要技术参数Table3—2表hig：h—speedcameraofthemaintechnicalparameters拍摄速度ffps}最大分辨率≮pixds)最大曝光时间(}lsecl最小曝光时间(psec)1001．280)<1．0249．9966250L280×1．0243．99665001．280×l。【)241．99561．000I．280×I．02499662．000I．280×1．02449662．50(Ji．024×1．02439663．000928×92832964．000900×800246650．000144×14419360．000128><128153100．00064x6493150．00032×6453200．0008×6443\n第3章静水中单个气泡运动的PIV匿像测量：——————————————————————————————————————————————————————一3．2实验方法3．2．1气泡生成方法实验由空气压缩机产生高压气体储存于空气缓冲装置中，通过粗调阀门和微调阀门精细控制空气流量，使系统在一定时间内仅生成一个气泡(本次实验中以两气泡不同时存在于槽体中为准)。不同的注射方式会影响气泡的动力学特性，如气泡形状、速度等。气泡生成方法按照注射方式的不同可以分为“控制型”和“直接型”两种，所谓“控制型”注射方式是指，首先将气泡注入到注射器管中，然后慢慢注入水使气泡随水流逐渐地释放到液体中。所谓“直接型”注射方式是指，减小孔口直径或者增加气泡直径使气泡直径大于孔口直径产生气泡ISllo所以，“控制型"产生的气泡直径比注射孔口小；“直接型”产生的气泡直径比注射孔口大。本实验采用“直接型”注射方式生成气泡。本实验系统可产生O．5mm<以。<4．7mm的气泡，注射孔口采用的是规格为0．45mm-一1．6ram的医用针头和内径为1．Omm～2．Omm的细胶管。其中，小尺寸气泡(0．5mm<厶<3．5mm)由规格为o．45mm'--1．6mm的医用针头产生；稍大尺寸的气泡(3．6mm查看更多
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