基于图像二值化处理的气泡羽流不稳定结构分析

气泡羽流是在曝气过程中产生的一种复杂的两相流动。对气泡羽流中气泡速度信息的提取是粒子图像测速算法(PIV)的核心部分。速度信息的提取即数字图像的预处理过程。本研究主要是在读取灰度值后,通过大津法得到相应的最佳阈值分割点,再采用该灰度阈值对图像进行二值化,以此来减少噪声对流场的影响,降低图像后处理的难度,这是气泡羽流的运动规律研究的一个重要过程。图像的二值化处理能有效地提高PIV技术计算流场的精度,为研究气泡羽流在曝气过程中产生的不稳定结构奠定了基础。     

曝气池中气液两相流速度场分布的实验研究与数值模拟

气液两相流广泛存在于水利工程、废水处理等领域,其在气液装置中的流型流态及速度场分布可直接影响装置运行效能。本文采用实验研究与数值模拟相结合的方法,对圆柱形气液装置进行PIV实验,获得了准确的气液两相流气相速度场分布;在充分考虑湍流、曳力、升力、湍流分散力等作用下,采用欧拉-欧拉双流体模型和气泡群平衡模型对气液两相流流场进行了数值模拟,并将模拟结果与实验结果进行验证,所得结果误差控制在10%左右。结果表明,本文提出的模拟方法在气液两相流模拟中能够得到较准确的两相流动规律和速度场分布情况。     

曝气池中气液两相流粒子图像测速技术

在粒子图像测速原理的基础上研究了基于快速傅立叶变换的粒子图像测速算法,并编制算法程序进行验证。通过试验研究了气液两相流在曝气池试验装置中的流动情况,应用粒子图像测速技术对装置中3种状态下气液两相流的运动参量进行测量,获得了各种流体运动参数,并应用粒子图像测速程序进行计算分析。试验结果表明当气液两相流处于状态3时,气泡在装置中具有最长的停留时间和较大的速度紊动强度,氧转移速率和效率大大提高,这为曝气池选型提供了依据。     

基于改进PIV技术的库区滑坡涌浪试验研究

针对滑坡涌浪试验中内部运动场数据缺乏的问题,采用改进的粒子图像测速技术搭建滑坡涌浪试验平台,选取理想黏塑性材料卡波普作为滑坡材料,通过示踪粒子荧光染色技术对滑坡体和水体两相进行区分,实现了两相内部流态的同步观测,并解析出相应的速度场矢量图,进而基于速度场数据计算了入水滑坡体质量和平均速度的变化曲线,并分析了两相耦合过程中的动量变化过程线。研究结果表明滑坡和水体两相的动量变化趋势与滑坡体入水动量具有较高的相关性,可为两相耦合的动量转换机理理论研究提供更加复杂、多元的数据支撑。     

气泡羽流空隙率的计算及其不稳定规律的研究

在气液两相流中,气相和液相各自有不同的流场,而液相的速度场取决于气泡的运动特性。空隙率是气液两相流中描述气泡分散相间相互作用的一个重要的参数,通过对气泡羽流的空隙率分布分析,可了解气泡羽流的运动机理与实验条件之间的关系。本文采用图像处理的方法测量在高密度气泡下的瞬时空隙率分布。对拍摄的图片进行预处理,得到其灰度图像和灰度值,建立其局部灰度值与投影空隙率间的相关关系,进一步计算出气泡羽流的不同位置处的空隙率值分布,在此基础上分析不同工况下空隙率值的分布情况及其对气泡羽流结构的影响。结果表明：该方法适合用于气液两相流空隙率的测量,在纵横比为1.0时,气泡羽流的结构受压强影响小,羽流结构稳定;纵横比为1.5和2.0时,随着压强的增大,羽流结构呈现不稳定。     

曝气池中气液两相流的数值模拟与实验研究

曝气在活性污泥处理方法中起着重要的作用，而曝气池中气液两相流流动规律对曝气作用的影响又至关重要。本文通过实验研究了曝气池中气液两相流的流动问题。在此基础上建立了气液两相紊流的流动模型，并采用单位体积方法进行求解计算，经比较表明实测值与计算值吻合较好。     

曝气池中气液两相流数值模拟

应用数值模拟的方法,对曝气池气液两相流运动规律进行了探讨。研究表明:当孔径相同,空气流量越大,紊动强度越大,气液混合越充分,曝气效果越好。对于相同的水深和相同的孔径,流量是影响气泡大小和速度的主要因素。当气体流量或速度增加时,气泡体积增大,气相速度也明显增大。     

PIV 适用于两相流稀相微粒速度场测量的算法探讨

用PIV(Particle Image Velocimetry)技术测量两相流中稀相微粒速度场时，稀相微粒起着示踪粒子的作用，其浓度低，粒子图像离散性强，需要发展跟踪单个粒子图像的算法才能确定粒子的速度矢量。本文介绍了基于BICC(Binary Image Cross-Correlation algorithm)算法的PIV粒子图像跟踪技术。用数值模拟的方法对几个典型的粒子图像场进行了粒子对的识别，并且对该算法模式中粒子对数、粒子半径等问题作了讨论。最后用所述方法对直管道中玻璃球-空气两相流50微米玻璃球粒子图像进行了实例分析，结果令人满意。     

气泡羽流空隙率的计算及其不稳定规律的研究

摘要：在气液两相流中，气相和液相各自有不同的流场，而液相的速度场取决于气泡的运动特性。空隙率是气液两相流中描述气泡分散相间相互作用的一个重要的参数，通过对气泡羽流的空隙率分布分析，了解气泡羽流的运动机理与实验条件之间的关系。本文采用图像处理的方法测量在高密度气泡下的瞬时空隙率的分布。对拍摄的图片进行预处理，得到其灰度图像和灰度值，获得其局部灰度值与投影空隙率间的互相关曲线及相互关系式，进一步计算出气泡羽流的不同位置处的空隙率值分布，在此基础上分析不同工况下空隙率值的分布情况及其对气泡羽流结构的影响。结果表明：该方法适合用于气液两相流空隙率的测量，在纵横比为1.0时，气泡羽流的结构受压强影响小，羽流结构稳定；纵横比为1.5和2.0时，随着压强的增大，羽流结构呈现不稳定。     

基于CIP方法的液滴冲击薄膜数值模拟

该文基于自主研发的气-液二相流数学模型开展了液滴冲击液膜的数值模拟,采用紧致插值曲线(CIP;constrained interpolation profile)方法离散Naiver-Stokes方程,完成速度-压力场的求解,并分析了速度场、压力场随时间变化的过程。采用VOF/WLIC(volume of fluid/weighed line interface calculation)方法重构了自由面,并与SOLA-VOF方法及CIP方法得到的自由面进行比较,验证VOF/WLIC方法对于液滴冲击液膜问题的适用性。通过调整气、液二相流的黏度比值,分析比较了不同黏度比值对模拟结果的影响。结果表明,CIP方法可精准重现液滴冲击过程中的复杂自由面流动现象。     

简易粒子图像测速(PIV)技术开发与优化技巧

粒子图像测速(PIV)技术是一种瞬态流动平面二维速度场测试技术,在细部流场实测领域得到重视,但是成熟的PIV产品价格高昂。鉴于此,介绍了一种简易的PIV装置,主要由高速摄像机、激光发射器、柱面透镜和示踪粒子构成,以较低成本即可基本实现商业用PIV产品的功能。为了验证简易PIV性能,设计了PIV简易装置,采用Fluent软件模拟,并结合PIV技术对比分析了简易PIV装置的优缺点,同时对影响结果的粒径大小和粒子跟随性进行了优化。结果表明,简易PIV装置适宜选用玉米粉作为示踪粒子,并需要根据示踪粒子跟随性所能达到的最大进口水流速度选择高速摄像机的帧率,最终能够较好地实现流场实测,进而达到对PIV技术进行开发和优化的目的,其分析结果将为后续研究者提供参考。     

THE VELOCITY FIELD OF MULTIPHASE FLOW AND EFFICIENCY OF BIOLOGICAL AERATION FILTER

Aeration is an important factor affecting the biological aeration filter. With a set of experiment device specially designed for the purpose, and the particle image velocimetry technique, the velocity field of the gas-liquid two-phase flow is studied under different conditions. The various simulated aeration states were actually applied to the experimental device of sewage treatment, and the results of the numerical simulation were verified. The final experimental results indicate that the most efficient state occurs when the ratio of water in aeration tank h/w=1, the diameter of capillary tubes d=0.6mm and the velocity of bubbles v=0.3m/s.     

EXPERIMENTAL STUDY ON GAS-LIQUID TWO-PHASE FLOWS IN AN AREATION TANK BY USING IMAGE TREATMENT METHOD

Particle Image Velocimetry （PIV） technique was employed to study experimentally gas-liquid two-phase flow in an aeration tank. In terms of the PIV principles, an algorithm of PIV based on the Fast Fourier Transformation （FFT） was worked out. The PIV program was developed and verified, and then was used to measure three kinds of states in the testing device. The program was also used to calculate and analyze the related parameters. The experimental data indicate that the bubbles in testing device have the longest resident time and stronger turbulent intensity for the gas-liquid two-phase flow in a special case （Case 3）, resulting in great increase of the oxygen transferring speed and efficiency, whereby providing the basis for the selection design of aeration tank.     

空泡两相流场PIV测试技术研究

基于图像分析和TR-PIV建立了一套空泡周围非定常两相流场的PIV测试技术,并对分析方法进行详细的描述与试验验证.利用本文针对空泡现象选择的图像处理方法可以同时获取空泡的轮廓边界和空泡周围流场信息.三维水翼空泡流场试验表明,该方法适用于空泡现象的研究和分析,可获取高时间和空间分辨率的量化空泡发展过程以及空泡生长、脱落和溃灭过程中空泡壁面附近和周围流场的量化信息.     

粒子测速系统在潮汐河口河工模型试验中的应用

在潮汐河口河工模型试验中采用粒子测速(PIV／PTV)系统测量流场，具有快速、精度高的优点，开发的PIV／PTV系统数据处理分析软件，可实现模型试验中流场的可视化。     

PIV技术在冰盖下复式断面渠道流速测量中的运用

在测定冰盖下复式断面流场、流速的模型试验中,水体中的运动粒子是重点研究对象。粒子图像测速(Particle Image Velocimetry,PIV)技术已在水力学研究领域得到普遍应用,但该技术在冰盖下复式断面渠道模型试验的应用为国内首次。基于试验特点,设计砖砌混凝土的循环水箱,采用变频器配合水泵、流量计实现对流量的定量控制,对不同流量下不同断面的流场、流速进行测定,采用PIV技术对水体中运动的粒子的位移场进行具体分析。试验结果表明,PIV分析结果能够直观反映流场中的状态,且可以避免测量盲区,其所测的流速与多普勒超声测速仪测得值吻合较好,并给出了横向流速分布图,弥补了传统方法无法获得冰盖下的流场分布的难题。     

基于简易PIV的圆柱绕流压力场重构

采用简易粒子成像测速仪(PIV)装置测量入口流速为14.3 cm/s时圆柱绕流的速度场,运用有限容积法和直接积分法重构压力场。对比Fluent模拟速度场结果,分析简易PIV的速度场测量误差;对比Fluent模拟压力场结果,分析基于Fluent模拟速度场以及PIV实测速度场的不同算法重构压力场误差。结果表明:在简易PIV系统中,摄像机采用适合的空间分辨率与时间分辨率能有效减小速度场测量误差。基于Fluent模拟速度场数据,当给定第一边界条件时,有限容积法的压力场重构误差小于直接积分法,均方根误差分别为1.73%,8.99%;基于PIV实测速度场,有限容积法的压力场重构误差大于直接积分法,均方根误差分别为26.58%,12.72%;降低速度场误差与获取准确的边界条件均能有效提高压力场重构精度。通过采用低成本的PIV装置,探究获取流体的瞬态压力场重构方法,降低了PIV中重构压力场的成本。