论文总字数：31316字

摘 要

气动输送是能源领域广泛运用的一种颗粒输送方式，如粉煤灰的输送，而绳索现象是出现在气动输送中一种特殊现象，由于重力和离心力的作用使得颗粒在弯管后集中成绳索状。目前随着多相流测量技术的发展，绳索现象的研究也进一步得到了深入。本文围绕弯管后绳索现象的可视化开展了深入研究。

本文介绍了利用高清摄像机拍摄获得管道内颗粒运动相关信息的方法。通过激光切片的方式，在管道外使用摄像机成像，实现了颗粒图像的全场实时采集和本地保存。

本文重点研究了颗粒图像可视化处理的算法。首先矫正了光照不均匀产生的亮度畸变，然后对图像预处理、图像分割和颗粒分割选用的算法分别进行了讨论和比较。另外实现了颗粒分布、颗粒粒径和通量等特征参数提取，并对同一截面上的颗粒进行了聚类分区。最后通过归一化的方式将颗粒重建到新的图像上，一定程度上消除了摄像机俯视带来的影响。

本文通过对弯管后竖直管道内不同高度的颗粒图像进行比对，说明了在弯头后绳索现象的发展和结束，分析了在整个竖直管道上绳索现象的大体情况，得到了本实验中的偏析高度。

关键词：两相流；绳索现象；可视化；图像处理；颗粒分布

ABSTRACT

Pneumatic conveying is one of particle conveying means widely used in the energy field, such as fly ash conveying. Roping phenomenon is a special phenomenon occurred in pneumatic conveying, which means the particles are concentrated into a rope shape after the bent pipe due to the action of gravity and centrifugal force. With the multiphase flow measurement technology getting up, the study on roping phenomenon has been further deepened. This article has carried out in-depth research on the visualization of the rope phenomenon after bending.

The paper describes how to use the high-definition camera to capture information about particle motion in the pipeline. With the laser slice method, the camera is used outside the pipeline to realize the real-time collection and local preservation of the particle image.

The paper concentrates on the algorithm for visualization of particle flow states. First, the brightness distortion caused by uneven illumination has get corrected. Then, the algorithms used for iamge preprocessing, image segmentation and particle segmentation are elaborated and compared respectively. In addition, the feature parameters such as particle distribution, particle size and flux are extracted, and the particles on the same section are clustered. Finally, the particles are reconstructed into a new image by normalization, which partially eliminates the influence of the camera's top view.

In this paper, by comparing the image of particles at different heights in the vertical pipe after bending, the development and end of the rope phenomenon after the elbow is illustrated, the general situation of the rope phenomenon on the entire vertical pipe is analyzed, and the segregation height in this experiment is obtained.

KEY WORDS: Two-phase flow; Roping; Visualization; Image processing; Particle distribution

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景和意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 课题研究的主要任务 4

1.3.1 课题研究的目标 4

1.3.2 课题研究的思路 5

1.3.3 论文结构安排 5

1.4 本章小结 5

第二章 气力输送过程中颗粒流动状态的可视化研究的原理 6

2.1采集原理 6

2.2 可视化处理原理 7

2.2.1 颗粒的识别与分割 7

2.2.2 颗粒的重建 8

2.2.3 聚类分区 8

2.2.4 通量 8

2.2.5 偏析高度 8

2.3 本章小结 9

第三章 颗粒流动状态可视化测量系统的搭建和实验过程 10

3.1 实验装置 10

3.1.1 实验台 10

3.1.2 高清摄像测量系统 11

3.2 实验过程 12

3.2.1 颗粒行为的拍摄 12

3.2.2 背景的拍摄 12

3.2.3 视频格式的转码 13

3.2.4 像素尺寸的标定 13

3.3本章小结 15

第四章 流动状态颗粒图像的可视化和特征参数获取 16

4.1 图像预处理 17

4.1.1 图像复原 20

4.1.2 图像增强 23

4.2 图像分割 26

4.2.1 形态学分割 26

4.2.2 图像二值化 29

4.3 特征颗粒的提取和分割 32

4.3.1 特征颗粒的提取 32

4.3.2 区域分割技术 32

4.3.3 优化的分水岭算法 33

4.4 颗粒特征参数的获取 34

4.4.1 颗粒的识别和粒径的统计 34

4.4.2 颗粒的重建 36

4.4.3 颗粒的聚类分区 38

4.4.4 颗粒的通量统计 39

4.4.5 所有高度的图像比对 40

4.5本章小结 43

第五章 总结与展望 45

5.1 全文的主要工作与得到的结论 45

5.2 进一步工作的展望 45

图 表 目 录

图1. 1 流动状态可视化整体研究思路图 4

图2. 1 绳索现象可视化处理原理图 6

图3. 1视频采集系统实验台部分示意图 10

图3. 2 竖直管道中摄像测量系统示意图 11

图3. 3 拍摄得到的背景图像（0D处） 14

图3. 4 使用imageJ进行像素标定 14

表3. 1 JVC GZ-HD7数码摄像机技术指标表 12

表3. 2 像素标定记录表（0D处） 14

图4. 1 颗粒流动状态可视化处理整体流程图 17

图4. 2 高度为4D所拍摄到的视频中的一帧（原图） 18

图4. 3 对全图使用直方图均衡化 18

图4. 4 全图的直方图 19

图4. 5 局部进行直方图均衡化 19

图4. 6 局部的直方图 19

图4. 7 全图的retenix去雾算法 20

图4. 8 基于二维伽马函数的光照不均匀图像自适应校正算法 20

图4. 9 4D部分颗粒的均值滤波结果 21

图4. 10 4D部分颗粒的中值滤波结果 22

图4. 11 4D部分颗粒的维纳自适应滤波结果 22

图4. 12 4D部分颗粒的同态滤波结果 23

图4. 13 4D图像的同态滤波结果 24

图4. 14 4D部分颗粒的灰度增强结果 24

图4. 15 4D部分颗粒的高斯高通滤波结果 25

图4. 16 4D部分颗粒的高斯高通滤波和灰度增强结果 25

图4. 17 4D图像的高斯高通滤波和灰度增强结果 26

图4. 18 （a）原图 (b)腐蚀后的图像 (c)膨胀后的图像 27

图4. 19 (a)原图 (b)开操作后的图像 (c)闭操作后的图像 27

图4. 20 (a)4D处原图 (b)开操作后的图像 (c)减去背景后的图像 27

图4. 21 对0D图像减去背景 28

图4. 22 平均阈值法二值化 29

图4. 23 最大类间方差法二值化 30

图4. 24 迭代式阈值分割法二值化 31

图4. 25 （a）手动创建模板 （b）特征颗粒的提取 32

图4. 26 传统分水岭算法 33

图4. 27 优化后的分水岭分割结果 34

图4. 28 颗粒速度示意图 35

图4. 29 椭圆拟合示意图 35

图4. 30 4D高度的粒径统计图（单位微米） 36

图4. 31 椭圆的归一化 37

图4. 32 （a）实际颗粒重建 （b）理想的颗粒重建 37

图4. 33 实际颗粒重建的局部放大图 38

图4. 34 颗粒聚类分区图（0D处） 38

图4. 35 0D处的通量统计 39

图4. 36 0D处多次通量统计 40

图4. 37 管道内的颗粒分布（单位微米） 41

图4. 38 2D-5D颗粒分布图 42

图4. 39 0D-5D颗粒通量图 43

绪论

1.1 研究背景和意义

气动输送是指利用气体在一定流速下所具有的携带固体颗粒的能力，使得颗粒能在管线内跟随气体一起输送的颗粒输送方式。在许多工业工程的颗粒材料加工领域中，气动输送得到了广泛的运用，例如在制药、建材、脱硫脱硝、粉煤灰输送领域气动输送都有大量的运用。

在颗粒的气力输送的过程中，固体颗粒以及空气组成的两相流体会经过各种水平、竖直管道以及连接弯头等等。所以，在管线的不同部分会产生不同的物理现象。例如由于重力和离心力导致的绳索现象，即经过弯管之后，混合颗粒会在弯头处的管道横截面中外侧的一小部分内和弯头下游的管道中相对集中，在弯管的外壁侧形成相对致密的相结构，颗粒集中成绳索状。因此，对于流动如此复杂的管道内的两相流，获取颗粒的特征参数尤其是管道横截面上的分布信息在系统设计中显得非常重要。

如今国内外的科研工作者们在经过了大量的研究和努力下，使得多相流的测量技术有了长远的进步，涌现出了许多结合了传统单项流仪表和多相流模型的测量方式，也开发出了大量基于新兴技术和传感器的先进仪器，例如粒子图像测速仪（PIV） ，粒子轨道测速（PTV）和电容层析成像（ECT）等等。而随着计算机技术和信息处理技术的进步，图像处理技术有了巨大的进步空间。而在气力输送的应用中，为研究颗粒在管道中的运动，借用图像法对管道横截面处进行可视化研究具有重要意义。在气固两相流动的可视化研究方面，国内外学者进行了大量研究。针对多相流研究的特性，目前已经形成了多种成熟的测量方法。例如，对于透明管道内的多相流，光学法与高速摄像法等技术使用较多；对于非透明管道或者非透明的多相流，射线吸收、太赫兹、激光干涉成像、层析成像、核磁共振、粒子成像等技术已有使用。

在图像处理方面，现在的研究不外乎先将图像进行预处理，进而二值化，最后感兴趣的部分进行进一步的计算。但是目前的研究基本都是对单张图像进行处理且对于成像差的图像没有更合适的处理方式，这导致了对于视频文件没有办法充分的利用也对设备提出了较高的要求。这也意味着，对于绳索现象一类的颗粒参数获取办法仍缺乏合理的处理方式。

综上所述，对于弯管内的绳索现象的颗粒分布信息的处理方法具有非常重要的研究价值和应用意义。

1.2 国内外研究现状

在图像的可视化方面，已经出现了许多先进的仪器和技术，这些仪器和技术不仅可以在单项流中测量复杂的瞬时速度场，同样可以应用在多相流中来研究多相流的行为和颗粒相的分布。

（1）超声波断层扫描技术

超声波断层扫描利用流场中的颗粒对于在其中传播的超声波的散射作用，通过分析超声波衰减的程度来预测和反演颗粒的粒径和浓度。这种技术从上个世纪开始就得到了应用，并且对超声波的频率和颗粒的粒径提出了要求。利用超声波断层扫描技术可以识别管道中的气固两相流的流动模式、固体含量和平均横截面分布等。

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