粒子像测速技术在两相流测量中的应用研究
陈晨+杨晖+李然+陈晓荣+郑刚
摘要：针对目前颗粒流速度场测量手段较单一的现状，系统介绍了基于数字图像技术的颗粒流速度场测量方法。通过对各种测量原理和使用条件的分析比较，指出了这些方法的特点和存在的主要问题，并结合颗粒流测量特点给出了这些测量方法在颗粒流速度场研究中的具体应用条件。此外，还讨论了数字图像技术在休止角测量方面的应用，以及这些测量方法在国内外的应用情况。这将对后续利用数字图像技术研究颗粒流提供指导。
关键词：
图像处理； 颗粒流； 速度场； 休止角
中图分类号： O 436文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2017.06.014
Abstract：At present，the measurement method for velocity of granular flows is unique.In this paper，some measurement methods based on digital image technologies are introduced.By the analysis and comparison of various measuring principles and operating conditions，the characteristics and main problems of these methods are listed.Considering the characteristics of granular flows measurement，the application conditions of digital image measurement technologies are also discussed in granular flows research.Besides，the application of digital image technology in measuring repose angle and using status of these methods are introduced.The aim of the paper is to have a guiding significance for the further study of granular flows using digital image technology.
Keywords：
image processing； granular flows； velocity field； repose angle
引言
颗粒物质也称为颗粒材料，是由众多离散颗粒相互作用而形成的具有内在有机联系的复杂系统，整个颗粒物质在外力或内部应力状况变化时发生流动，表现出流体的性质，从而构成颗粒流。颗粒流是一种不同于固体、液体和气体的特殊物质形态，具有丰富的现象和不同于固、液、气物质的独特运动规律，很多现象至今未得到有效的解释。颗粒流的速度场测量对于揭示流体运动规律，进而解释流动的内在本质具有决定性的作用。颗粒物质传统的测量方法主要有：光纤颗粒速度探头测量法、冲击力法、等速采样法、热平衡法等，这些方法都属于接触式测量。近年来，随着光电子技术的发展，以数字图像技术为基础的非侵入式测量法逐渐成为主流。本文介绍了各种基于数字图像技术的颗粒流测量方法并研究了国内外的应用情况，总结了空间滤波测速技术在颗粒流测量方面的具体应用以及图像法在休止角测量方面的应用，对进一步利用数字图像技术来研究颗粒流具有指导意义。
1速度场测量
基于数字图像的颗粒流速场测量法主要有：粒子图像测速（particle image velocimetry，PIV）、粒子跟踪测速（particle tracking velocimetry，PTV）、激光散斑测速（laser speckle velocimetry，LSV）以及空间滤波测速法（spatial filtering velocimetry，SFV）。
1.1PIV和PTV
传统的PIV技術利用激光照射散布在流体中的稀疏示踪粒子（近似一个点），通过对粒子成像，并对很短时间间隔内两幅图像的相关性进行计算，得到流场的分布。典型的PIV系统如图1所示，一般包括3个主要部分：示踪粒子、成像系统和图像处理系统，但是由于颗粒物质间间隙小且互相遮挡，高速相机只能拍摄到表面的颗粒，因此PIV技术在用于颗粒流测量时，只能测量颗粒流表面的速度场[12]。
PTV法的原理与PIV法类似，主要区别是PIV法是对诊断窗口内多个粒子位移的统计平均，属于欧拉类方法，而PTV法是直接跟踪流场中单个粒子的运动，属于拉格朗日类方法。另一种拓展的PTV法是通过测量一定曝光时间下的粒子光学轨迹长度，进而计算出颗粒的运动速度。这种方法的优点是不需要高速相机和脉冲激光，因此成本低、实时性强、操作简便，但其精度和处理复杂流动的能力尚未得到认可，目前还不是主流[3]。
近年来，几乎所有的颗粒流实验研究都曾采用过PIV或PTV技术进行测量[45]，如：振动流化床[67]、滚筒[810]、剪切室[1112]、漏斗[1314]、倾斜平板[1516]、沙堆[1718]等颗粒流速度场的测量。
PIV和PTV测速法的时空分辨率主要由高速相机决定，其最大的优势在于获得全场颗粒速度的同时还可以获得颗粒运动的方向、加速度，因此，是目前应用最广泛的一种速度场测量方法。其主要局限在于图像中的颗粒必须能被有效识别，才能进行后续计算，因此比较适合颗粒流表面或二维颗粒流的速度场测量。此外，对于小颗粒或不规则颗粒流等颗粒无法有效识别的情况，一般采用在颗粒流中加入少量相同材料不同颜色颗粒作为示踪粒子的方法[1920]，但这种方法可操作性较差，如果示踪颗粒太少则不能完整表征流速场，如果示踪颗粒太多则颗粒容易混叠影响测量结果。endprint
1.2LSV
在PIV系统中，当流场中粒子浓度较高时，粒子图像在成像系统中形成激光散斑图案（散斑已经掩盖了真实的粒子图像），此时用散斑点代替原来的颗粒点，通过对前后两幅散斑图像的相关性进行计算得到流速信息，这种方法称为激光散斑测速（LSV）。与PIV图像不同的是，散斑图像中每一个斑点都是所有顆粒散射光信号的叠加结果，因此，LSV只适用于测量定向流场的平均流速[2123]。LSV技术的优势在于较高的空间分辨率（激光波长的一半），其中时间分辨率由相机决定。目前在颗粒流测量方面的应用较少。
1.3SFV
对于图像无法识别的小颗粒和不规则颗粒流测量，更好的解决方案是采用SFV技术。如图2（a）所示采用对空间频率具有一定选择作用的栅格式空间滤波器，被测物的像经过透镜成像在空间滤波器上，经空间滤波器调制后的像由聚焦透镜会聚到光电探测器上，光电探测器输出周期性变化的正弦信号，其中心频率正比于相对运动的速度，再用相关法或采用频率电压变换器法测得中心频率，进而测出被测物相对移动速度[2425]。
实现空间滤波的方法有多种，最早的空间滤波器是由如图2（a）所示平行狭缝组成的光栅[24]，但这种结构存在加工难度大，空间周期不能调整，且只能测量垂直于狭缝方向的运动速率等问题。为了解决这一问题，Kobayashi等[26]提出了利用传感器阵列实现空间滤波功能的光电探测器（如图2（b））。Itakura等[27]利用一个液晶元件阵列构建了一种新型的空间滤波器，并实现了二维速度分量的测量。此后Hayashi等利用光纤阵列构建了一种空间滤波器，有效简化了系统并提高了测量精度[28]，但传感器或光纤阵列也存在分辨率较低，安装调试困难，传感器性能一致性差等问题。近年来，随着光电技术及工业制造技术的发展，传统的光栅和光电探测器结构逐渐被线阵或面阵CCD/CMOS相机所取代[29]。如Bergeler等对面阵CMOS相机像素在两个正交方向进行分组，模拟空间滤波器件的功能，实现了二维速度分量的测量，并通过实验测量了毛细管中血流速度分布情况[29]。这种系统不仅结构简单，性能稳定，且可以通过软件调整空间周期，提高空间滤波器用于速度测量的选择性，测量精度高。此外，还有采用静电传感阵列的空间滤波测量法[3031]，该方法能够获得敏感区域内颗粒流动平均速度信息，在一定程度上实现了对颗粒局部平均速度的测量。
SFV法的优势是无需识别颗粒，对测量对象几乎没有要求（只要能反光），结构简单，光学及机械性能的稳定性好，适用范围广。但其不足是，相对于其他测速法（PIV和激光多普勒等），其测量精度较差，因此，不适用于高精度测量。目前，商业化的SFV速度测量仪只能测量平均速度，无法测量速度场分布。
SFV技术目前主要用于两相流的测量，许传龙等[30]提出了基于静电传感器空间滤波技术测量气固两相流中颗粒运动速度；李健等[31]开发了基于圆弧状静电传感器矩阵空间滤波器的颗粒局部平均速度测量系统，能够获得敏感区域内颗粒流动平均速度信息；Dieter等[32]用SFV技术测量了两相流中颗粒的大小和速度；Fiedler等[33]用基于CCD的空间滤波器测量了循环流化床中局部颗粒速度分布；Obokata[34]用SFV测量了火花点火式发动机进气系统中两相流的速度，包括密集喷雾的定常与非定常流动的速度，气泡滑移速度等；Hosokawa和Tomiyama应用SFV测量气液两相流中的气泡速度，对鼓泡塔中泡状流的泡沫速度进行了测量，并且同时测量了液体和气泡的速度，发现与PTV的测量结果相同甚至优于PTV[35]。在颗粒流测量方面目前只有Itakura等[36]用空间滤波测速技术研究了泥石流的表面速度。
2休止角测量
颗粒休止角是水利[37]、沙漠[38]、药剂[39]和粮食[40]等颗粒流技术领域中重要的基本参数，其定义为颗粒物堆积体的自由表面处于平衡的极限状态时自由表面与水平面之间的角度。休止角越小，颗粒流动性越强。比如泥沙在静止的流体中自然堆积成丘时，由于颗粒间摩擦力的作用，可以堆成一定角度的稳定斜面而不至于塌落，此倾斜面与水平面的夹角成为泥沙休止角；又如滚筒中颗粒层表面与水平面的夹角。
对于休止角的研究有不同的装置和试验方法，比如缓慢转动的滚筒装置[4142]；倾倒和排空休止角测量方法[4344]；缓慢倾斜一个装满颗粒的矩形容器观测其自由表面开始失稳的方法[4546]；观测沿着垂直墙面缓慢流下颗粒堆积而成的半沙堆的自由表面倾角[47]；观测震动一个装满颗粒的矩形容器而形成的半沙堆的倾角[4849]等。休止角的测量方法主要有直尺法、休止角测定仪以及图像法等，而对于直尺法和休止角测定仪无法测量或者操作复杂的情况下（比如滚筒中动态休止角测量），图像法测量休止角是一种更好的选择。
图像法测量滚筒中颗粒物原理如图3所示，通过采集处于下休止角位置的原始图像（图3（a）），图中白色区域表示颗粒区（像素值为1），黑色区域表示非颗粒区（像素值为0）。休止角θ表示颗粒床表面l1与水平面的夹角，γ表示颗粒床表面l1与铅垂线l2的夹角。实验中，通过拟合颗粒床表面l1与铅垂线l2的夹角γ得到休止角θ。休止角θ等于直角减去γ。
图像法测量休止角的优势在于能够减小人为误差和系统误差，对测量对象要求低，所以适用范围广，并且能够实现在线自动测量；但其不足在于实验装置要求透明，并且对于滚筒转速较高的情况下误差较大，且市场上没有成型的商业化仪器。
刘小燕等用基于图像处理技术的休止角测量方法测量了回转窑中物料的休止角大小，所获取的休止角变化曲线能正确地反映窑内物料的运动状态[50]，并且其课题组开发了一套基于图像处理的物料休止角的实时监测软件，通过图像检测物料休止角来判断物料的运动状态[51]；周向玲等对不同粒径的沙子采用漏斗法进行沙堆积，并用录像记录了沙的堆积过程，然后将录像处理成图片，用计算机软件“Corel Draw”处理，从而得到沙堆休止角和崩塌角随时间和沙粒粒径的变化关系[52]；田晓红等用图像分析测量法，通过数字图像处理技术较准确地测量出了粮食谷物的自然休止角，且能观察到圆锥体的形状[53]。endprint
3结论
综上所述，本文分别讨论了数字图像技术在颗粒流速度场和休止角测量中的应用。速度场的测量方法主要有PIV、PTV、LSV和SFV，总结了各自的测量原理、优缺点以及具体应用条件；休止角的测量介绍了各种试验环境和方法以及图像法测量的原理和优缺点。（1） 目前PIV/PTV技术测量二维速度场已经非常成熟，通过PIV/PTV技术实现三维空间体内完整速度场的测量是未来主要发展方向；（2） 散斑测量技术具有较高的时空分辨率，虽然利用散斑能见度光谱法实现了颗粒温度的测量，但由于目前还没有一种可以对颗粒温度测量结果进行标定的方法，因此该技术还存在一些争议，如何实现标定是该领域研究的重点；（3） SFV法无需识别颗粒，对测量对象几乎无要求，适用范围广，目前主要应用于两相流的研究，随着对不同材料颗粒流速度测量的需求越来越大，下一步通过SFV技术实现密集颗粒流速度的测量是该领域的研究热点；（4） 休止角是表征颗粒运动状态的重要参数，用图像法测量休止角主要部分是图像处理，再者通过测量休止角并与其它过程信息相结合开发出颗粒物料（比如回转窑）监测系统，以提高工业生产过程自动监控的效果，将是今后研究的重点。
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（编辑：张磊）endprint
