專利名稱：一種液體射流最外圍邊界的測量裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)測量方法和圖像處理領(lǐng)域，特別涉及一種獲取液體射流最外圍邊界的測量裝置及方法。
背景技術(shù)：
在以液體燃料為推進(jìn)劑的發(fā)動機中，液體射流的破碎和霧化是一個非常重要的過程。在研究射流的噴注和霧化特性時，射流破碎后形成的液滴的分布是一個很重要的測量參數(shù)，它決定了液體射流的霧化和其與氣流的摻混程度。射流最外圍邊界即射流破碎后形成的液滴能達(dá)到的最大區(qū)域的外邊界。液體射流的最大擴展范圍在橫向氣流中的表現(xiàn)形式即為液體射流的穿透深度。在研究橫向氣流中的液體射流破碎和霧化過程中，文獻(xiàn)“Lin K C，Kennedy P J, Jackson TA. Structures of water jets in a Mach1. 94supersonic crossflow. AIM-2004-971 ”和“Thomas RH, Schetz J A. Distributions across the plume of transverse liquid andslurry jets in supersonic crossflow[J]. AIAA Journal,1985,23 (12) :1892-1901，，將射流的穿透深度定義為射流中心截面液霧最外圍輪廓距離底面的最大垂直距離。在獲取射流最外圍邊界的研究方面，通常采用的方法是roPA法、高速攝影法、紋影法、陰影法和片光法。PDPA法采用定點測量的方式能夠獲得射流破碎形成的液滴的當(dāng)?shù)伢w積流率，并根據(jù)不同的射流邊界的定義獲得射流的外圍邊界。文獻(xiàn)“Lin K C，Kennedy P J, Jackson TA. Structures of water jets in a Mach1. 94supersonic crossflow. AIM-2004-971”和“Wu P K,Kirkendall K A,Fuller R P,et al. Spray structure of liquid jets atomizedin subsonic crossflow [J]. Journal of Propulsion and Power,1998,14 (2) ;173-182，，對橫向氣流中射流外圍邊界點的定義為射流的體積流率為0. Olcc/(s · cm2)或0. 02cc/(s · cm2)的點，兩者對于液霧外圍的定義不太相同；同時TOPA方法采取的是對流場中的單點進(jìn)行測量，其效率較低、難以一次性獲得整個流場的射流邊界信息。高速攝影法、陰影法和紋影法都能獲得射流主流的大致輪廓，文獻(xiàn)“賴林.帶空腔超燃發(fā)動機燃燒室內(nèi)流場試驗和仿真研究[D].長沙國防科學(xué)技術(shù)大學(xué).2003”對于不同的測量方法采用不同的數(shù)字圖像處理技術(shù)，得到的結(jié)果不盡相同，且文獻(xiàn)“劉靜，徐旭.高速氣流中橫向液體射流霧化研究進(jìn)展.力學(xué)進(jìn)展.2009，Vol. 39No. 3. 273-283”指出，采用高速攝影法、陰影法、紋影法得到的射流穿透深度小于TOPA方法的結(jié)果，原因是高速攝影法、陰影法和紋影法難以捕捉和測量得到射流主流外圍液霧稀薄區(qū)域的內(nèi)射流破碎形成的液滴，故采用以上方法得到的不是射流的最外圍的邊界。在應(yīng)用片光法進(jìn)行射流擴展邊界的研究時，文獻(xiàn)“ Chaouki Ghenai, HayriSapmaz, Cheng-Xian Lin. Penetration height correlation for non—aerated andaerated transverse liquid jets in supersonic cross flow, Exp Fluids(2009)49 121-129”將激光片光作用于觀測平面并在垂直于觀測平面的位置布置相機記錄粒子散射的光信息，但是其對片光法得到的數(shù)字圖像采用Canny方法進(jìn)行處理，即對數(shù)字圖像用人為選取的灰度梯度閾值進(jìn)行過濾，得到灰度梯度較大的像素位置點作為射流的邊界。其在圖像的處理過程中應(yīng)用的Canny方法，人為因素和不確定性較大，灰度梯度的閾值選取對射流邊界的確定有較大影響；同時由于液滴的濃度分布不均勻，使得片光法得到的圖像結(jié)果中，灰度分布不均勻，灰度梯度最大值對應(yīng)的像素點并非一定在射流外圍邊界上，其可能在濃密液霧和稀薄液霧的分界點上，故Canny方法處理得到的邊界結(jié)果不一定是射流的最外圍邊界；另外，采用Canny法處理片光圖像結(jié)果得到的射流邊界的物理意義不夠明確。總的來看，目前對于氣流中液體射流邊界的獲取方法較多，但是這些方法難以得到的射流的最外圍邊界，同時采用不同的數(shù)字處理方法對得到的圖像結(jié)果進(jìn)行處理得到的射流邊界不盡相同，且有些觀測方法效率較低，急需發(fā)展一種快速、高效且定量化的獲取射流最外圍邊界的研究方法。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種液體射流最外圍邊界的測量裝置及方法，可獲取液體射流破碎后形成的液滴在整個流場觀測平面內(nèi)最外圍邊界定量信
肩、O本發(fā)明一種液體射流最外圍邊界的測量裝置，包括計算機1、相機8、試驗段7、激光發(fā)生器2。射流5噴入試驗段7內(nèi)霧化形成小液滴，激光發(fā)生器2發(fā)出激光片光3照射在小液滴上，相機8的焦平面6、激光片光3與所要觀測的平面處于同一平面，相機8用來拍攝激光平面內(nèi)的小液滴；試驗段7對應(yīng)的相機8拍攝面以及激光片光3入射面為透明的，整個測量裝置處于暗室環(huán)境，計算機I采集相機8所拍攝的圖像、將拍攝的圖像進(jìn)行二值處理獲取射流邊界圖、計算射流邊界的物理距離信息。利用上述裝置的一種液體射流最外圍邊界的測量方法，包括以下步驟步驟一、標(biāo)定測量裝置，獲取觀測平面像素距離和物理距離對應(yīng)的標(biāo)尺；步驟二、利用相機8對射流及液滴進(jìn)行拍攝，獲取圖像結(jié)果；步驟三、將步驟二所得到的射流穩(wěn)定時的圖像結(jié)果轉(zhuǎn)化為灰度圖，再對此灰度圖進(jìn)行二值處理，提取邊界；步驟四、根據(jù)步驟一所獲取的標(biāo)尺，計算射流邊界的物理距離信息。進(jìn)一步，所述步驟三中二值處理為采用灰度閾值為O的二值處理方法。進(jìn)一步，所述步驟三在提取邊界后還包括負(fù)片處理。由于本發(fā)明采用激光片光對整個流場進(jìn)行觀測，故本發(fā)明比TOPA的單點測量法更加簡單、快捷；同時由于本發(fā)明中圖像處理的灰度閾值選取為0，故相對于高速攝影法、陰影法、紋影法所得到的結(jié)果更加唯一和定量化；另外本發(fā)明根據(jù)液滴對激光的散射成像，較高速攝影法、陰影法、紋影法和片光法中的圖像處理方法物理意義更加明確。


圖1 :本發(fā)明一種液體射流最外圍邊界的測量方法流程2 :本發(fā)明一種液體射流最外圍邊界的測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖
圖3 :利用本發(fā)明獲取的激光片光試驗結(jié)果4 :對激光片光試驗結(jié)果圖進(jìn)行二值處理結(jié)果5 :邊界提取結(jié)果圖
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。本實施例為一種液體射流最外圍邊界的測量裝置，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。包括計算機1、相機8、試驗段7、激光發(fā)生器2。射流從試驗段7底部噴出，在氣流4的作用下偏折、破碎、霧化成小液滴，相機8用來拍攝小液滴；激光發(fā)生器2發(fā)出激光片光3照射在小液滴上，相機8的焦平面6、激光片光3與所要觀測的平面處于同一平面。試驗段7對應(yīng)的相機8拍攝面以及激光片光3入射面為透明的，其余面涂黑，保持試驗室暗室環(huán)境，防止激光在試驗段觀測平面以外的反射與干擾，防止外界干擾光信號進(jìn)入相機8。計算機I控制激光發(fā)生器2的開啟和關(guān)閉，同時采集相機8所拍攝的圖像。射流通過氣流4的作用形成小液滴，開啟激光發(fā)生器2，激光片光3照射過來，只要有液滴存在的位置，液滴就會散射激光，使激光信號進(jìn)入相機8成像，對應(yīng)像素的灰度值不為O ;不存在液滴的位置，不散射激光，相機8成像對應(yīng)像素的灰度值為O。計算機對成像進(jìn)行處理，獲取其邊界。本實施例介紹的是利用氣流4將射流形成小液滴，還可以通過噴嘴等其他方式直接霧化形成小液滴。利用上述裝置測量液體射流最外圍邊界的方法，如圖1所示。具體包括以下步驟步驟一、標(biāo)定測量裝置；調(diào)節(jié)相機的焦距以及激光片光平面，使相機的焦平面6、激光平面3和所要觀測平面重合，對焦完成后，獲取觀測平面像素距離和物理距離對應(yīng)的標(biāo)尺。然后，保證整個測量裝置及測量過程處于暗室環(huán)境中，流場中不加入任何液滴，開啟激光器，進(jìn)行試驗拍攝，獲得圖像結(jié)果，圖像結(jié)果中所有像素點灰度值均為O。步驟二、利用相機13對小液滴進(jìn)行拍攝，獲取圖像結(jié)果；開啟激光器；試驗段7內(nèi)噴入射流，通入氣體4，射流偏折、破碎、霧化形成小液滴；利用相機8對射流及小液滴進(jìn)行拍攝，獲取圖像結(jié)果。圖3為獲取的液滴散射激光片光的圖像。測量過程中，調(diào)整相機8光圈的大小和激光器2能量的大小，使得到的圖像結(jié)果清晰且無曝光過度的現(xiàn)象。步驟三、將步驟二所得到的射流圖像結(jié)果轉(zhuǎn)化為灰度圖，再對此灰度圖進(jìn)行二值處理，提取邊界；先將步驟二中所得圖像結(jié)果轉(zhuǎn)變?yōu)榛叶葓D，由于灰度為將白色與黑色之間按照對數(shù)關(guān)系分為的若干等級，且灰度分為0-255的256階，灰度值為O表示黑色，灰度值為255表示白色，用灰度表示的圖像稱為灰度圖。采用灰度閾值為O的二值處理方法對此灰度圖進(jìn)行二值處理，即圖像中所有灰度值大于O的像素點的灰度值將轉(zhuǎn)變?yōu)?55，為白色，而所有灰度值為O的像素點的灰度值仍保持為O,為黑色。在觀測平面內(nèi)，只要有液滴存在的位置，液滴就會散射激光使激光信號進(jìn)入相機8成像，對應(yīng)像素點灰度值將大于O，因此進(jìn)行二值處理后的圖像中對應(yīng)灰度值為255的像素點即為液滴存在的位置，從而得到液滴分布范圍，所得結(jié)果如圖4所示。再采用公知的Sobel邊界提取方法，對以上二值處理后所得結(jié)果進(jìn)行邊界提取，得到射流邊界圖像。然后再進(jìn)行負(fù)片處理，可得到如圖5所示更清晰的射流邊界圖像。步驟四、根據(jù)步驟一所獲取的標(biāo)尺，計算射流邊界的物理距離信息。根據(jù)步驟一所得標(biāo)尺，將所得圖像結(jié)果中邊界的像素距離轉(zhuǎn)化為實際物理距離，將射流的像素距離信息轉(zhuǎn)變?yōu)槲锢砭嚯x信息，從而確定射流擴展的最大物理邊界。本發(fā)明把激光光束經(jīng)過組合透鏡擴束成片光照明流場，使用數(shù)字相機拍攝流場，根據(jù)粒子對激光的散射特性，得到的流場中的粒子的瞬時圖像結(jié)果，根據(jù)所得圖像結(jié)果進(jìn)行處理，得到射流擴展的最大物理邊界。各種舉例說明不對發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容構(gòu)成限制，所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在閱讀了說明書后可以對以前所述的具體實施方式
作修改或變形，不背離發(fā)明的實質(zhì)和范圍。
權(quán)利要求
1.一種液體射流最外圍邊界的測量裝置，包括計算機(I)、相機(8)、試驗段(7)、激光發(fā)生器⑵；射流(5)噴入試驗段(7)內(nèi)，激光發(fā)生器(2)發(fā)出的激光片光(3)照射在射流霧化形成的小液滴上，相機(8)的焦平面、激光片光(2)與所要觀測的平面處于同一平面，相機(8) 用來拍攝激光平面內(nèi)的小液滴；試驗段(7)對應(yīng)的相機(8)拍攝面以及激光片光(3)入射面為透明的，整個測量裝置處于暗室環(huán)境，計算機(I)采集相機(8)所拍攝的圖像、將拍攝的圖像進(jìn)行二值處理獲取射流邊界圖、計算射流邊界的物理距離信息。
2.利用權(quán)利要求1的一種液體射流最外圍邊界的測量方法，包括以下步驟步驟一、標(biāo)定測量裝置，獲取觀測平面像素距離和物理距離對應(yīng)的標(biāo)尺；步驟二、利用相機(8)對小液滴進(jìn)行拍攝，獲取圖像結(jié)果；步驟三、將步驟二所得到的射流穩(wěn)定時的圖像結(jié)果轉(zhuǎn)化為灰度圖，再對此灰度圖進(jìn)行二值處理，提取邊界；步驟四、根據(jù)步驟一所獲取的標(biāo)尺，計算射流邊界的物理距離信息。
3.如權(quán)利要求2所述的一種液體射流最外圍邊界的測量方法，其特征在于所述步驟三中二值處理為采用灰度閾值為O的二值處理方法。
4.如權(quán)利要求2所述的一種液體射流最外圍邊界的測量方法，其特征在于所述步驟三在提取邊界后還包括負(fù)片處理。
全文摘要
本發(fā)明一種液體射流最外圍邊界的測量裝置及方法，裝置包括計算機、相機、試驗段、激光發(fā)生器；射流噴入試驗段，激光發(fā)生器發(fā)出激光片光照射在射流液滴上，相機的焦平面、激光片光與觀測的平面處于同一平面，相機用來拍攝激光平面內(nèi)的小液滴；試驗段對應(yīng)的相機拍攝面以及激光片光入射面透明，測量裝置于暗室環(huán)境，計算機采集拍攝的圖像并進(jìn)行二值處理獲取射流邊界圖，計算其物理邊界距離信息。方法包括一、標(biāo)定測量裝置；二、利用相機對液滴拍攝，獲取圖像結(jié)果；三、圖像結(jié)果轉(zhuǎn)為灰度圖，提取邊界；四、計算射流邊界的物理距離信息。本發(fā)明可獲取液體射流破碎后形成的液滴在整個流場觀測平面內(nèi)最外圍邊界定量信息。
文檔編號G01B11/24GK103017683SQ201210595658
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月31日
發(fā)明者仝毅恒, 李清廉, 吳里銀, 李春, 劉娟, 趙玉新 申請人:中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)