一种测量喷雾轮廓速度的可视化实验装置及其测试方法

1.本发明涉及农业、医药、化工、水利机械、柴油机燃油喷雾等领域，可用于液相喷雾当 中的速度场的试验研究，尤其是喷雾轮廓速度的研究。


背景技术：

2.液相喷雾是在一定的环境温度和一定的喷射压力下，喷嘴所喷出的液态喷雾。液相喷雾 的物理特性对喷雾的雾化，雾化后的蒸发及后续可能燃烧都有很大影响。长期以来，液相喷 雾的速度都是研究的重点。农业的灌溉，医药学中糖衣包裹药丸，柴油机中燃油的喷射都需 要研究喷雾的液相速度。此外，柴油机自研发至今，已经深深地融入到了我们的生活当中。 无论是工程机械领域还是在车辆、船舶、国防等其他领域都有大量的应用，对国民经济发展 具有重要的支撑作用。现代柴油机的发展与喷油压力的提高直接相关，随着柴油机喷射压力 的提高，喷雾的速度也跟着提高，然而喷雾速度太快可能会造成撞壁现象，因此非常有必要 对液相喷雾的速度进行详细而深入的研究。
3.目前实验室对喷雾速度的测量大多是采用的粒子图像测速(piv)的方法，piv测速方法 有多种分类，但无论何种形式的piv，其速度测量都依赖于散布在流场中的示踪粒子，都是 通过测量示踪粒子在已知很短时间间隔内的位移来间接地测量流场的瞬态速度分布。但是 piv测速对示踪粒子的要求较高，因此示踪粒子的价格都比较昂贵。而且piv测速系统本身 也价格不菲。
4.为了研究喷雾从开始喷射到结束喷射的速度，需要得到完整的喷雾图像。于是设计了 如图1所示的试验装置图。


技术实现要素：

5.为了更好研究液相喷雾的轮廓速度，本发明提供了一种喷雾轮廓速度可视化实验装置及 其测试方法来研究液相喷雾从开始喷射到最远端的详细过程，得到了整个喷射过程的图像， 并获取液相喷雾轮廓速度。
6.一种测量喷雾轮廓速度的可视化实验装置，其特征在于，包括测试系统和喷雾系统，测 试系统包括控制系统、ccd相机、第一led光源、第二led光源、处理模块，所述ccd 相机置于喷嘴的一侧，所述第一led光源、第二led光源置于喷嘴的另外两侧、并且光线 照射方向与ccd相机的拍摄方向垂直；所述ccd相机与控制系统相连，由控制系统控制拍 摄时间及拍摄频率；所述控制系统还控制喷嘴的喷射时机；所述处理模块包括图像处理模块 及运算模块，所述图像处理模块用于处理ccd相机拍摄的图像，运算模块用于基于图像处理 模块处理的图像计算喷雾轮廓扩展的速度。
7.进一步地，所述喷雾系统包括加热瓦、液体储存罐、冷却风扇、滤清器、高压泵、电机、 共轨系统、压力表和喷嘴，所述加热瓦、冷却风扇分别设置在液体储存罐上，液体存储罐经 过滤清器、高压泵、共轨系统与喷嘴相连，所述高压泵由电机驱动，喷嘴与共轨系统之间的 管路上设置压力表。
8.进一步地，所述压力表、加热瓦、冷却风扇、电机均与控制系统相连。
9.进一步地，所述运算模块为matlab数据处理软件。
10.所述测量喷雾轮廓速度的可视化实验装置的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
11.(1)首先利用ccd相机拍摄喷嘴未喷射、第一led光源、第二led光源照射状态下的图像作为背景图像，然后在第一led光源、第二led光源照射状态下，控制器同步控制喷嘴喷射、ccd相机进行拍摄作为喷射过程中的喷雾演化过程中的喷雾图像；
12.(2)利用图像处理模块以背景图像为基准，将喷雾图像中的背景去除；然后再进行二值化，利用matlab软件自带的bwboundaries函数处理得到喷雾图像的轮廓坐标，再用matlab中的plot函数描绘出来；得到连续的图像轮廓后，在matlab中采用ptv匹配算法中的最近邻法将这第i帧喷雾图像的图像轮廓上的喷雾粒子和第i+1帧喷雾图像的图像轮廓上的喷雾粒子进行匹配，得到两喷雾粒子之间的位移矢量，再除以两帧图像的时间间隔，得到第i帧喷雾图像的图像轮廓上该喷雾粒子的速度矢量。
13.进一步地，所述最近邻法具体如下：
14.pi代表第i帧喷雾图像轮廓，i为1，2，
…
，m-1，m为所拍摄的喷雾图像的总数量，p
i+1
表示第i+1帧喷雾图像的轮廓，并且定义横坐标x轴的方向为喷嘴喷射的方向，通过式(1)获得第i帧喷雾轮廓上的第k个点与第i+1帧喷雾轮廓上所有点之间的距离和与x坐标之差的和的最小值：
[0015][0016]
式中k为1，2，
…
，n，n表示第i帧喷雾图像的图像轮廓上喷雾粒子的个数；j为1，2，
…
，n’，n’表示第i+1帧喷雾图像的图像轮廓上喷雾粒子的个数；pi(xk)、pi(yk)表示第i帧喷雾图像的图像轮廓上第k个喷雾粒子的横坐标、纵坐标；p
i+1
(xj)、p
i+1
(yj)表示第i+1帧喷雾图像的图像轮廓上第j个喷雾粒子的横坐标、纵坐标；c是含有(m-1)
×
n个元素的矩阵；c＝[c
i1ci2ci3
…cij
…c(m-1)n
]；
[0017]
通过c
ik
的确定第i帧喷雾图像的图像轮廓上第k个喷雾粒子经过一个拍摄间隙所运动的距离。
[0018]
进一步地，轮廓上喷雾粒子的速度矢量的获取方法为：
[0019][0020]
式中δt表示第i帧与第i+1帧两张喷雾图像的时间间隔。
[0021]
进一步地，ccd相机的曝光时间为5.4μs
[0022]
进一步地，第一led光源、第二led光源与相机呈90度布置。
[0023]
高压管路中液体从液体储存罐抽出，经过滤清器后到达高压泵的入口，经高压泵加压后到达共轨管，然后经共轨管稳压后提供给透明喷嘴，最后通过回流管路2进入液体储存罐，随后又开始上个循环，这个整个系统自动循环。
[0024]
为了得到清晰的液相喷雾图片，本发明采用米散射方法，将高速相机放置在适当的位置，然后将两台led光源对称垂直于高速相机放置。当入射光照射在液相喷雾直径较大的液滴颗粒时发生散射，通过对油束散射的光线进行捕捉，同时，通过控制系统控制，控
制ccd相机 快速多次拍摄，从而获得喷雾的过程中的图像。通过相邻两帧图像中的图像轮廓线，利用最 近邻方法确定喷雾轮廓线上各个喷雾粒子的运动轨迹，进而获得此时该喷雾粒子的运动速度。
[0025]
油箱中装有加热瓦、冷却风扇和温度传感器，通过控制面板可以实时的控制流体温度， 为研究不同温度下流体在喷嘴内空化流动提供条件。
附图说明
[0026]
图1是喷雾轮廓速度试验测试装置的系统结构图。
[0027]
图2是通过程序处理得到的喷雾连续两帧的轮廓图。
[0028]
图3是喷雾轮廓粒子运动轨迹匹配图，图中的小圆圈代表的是喷雾轮廓上的喷雾粒子。
[0029]
图中：
[0030]
1.加热瓦，2.液体储存罐，3.冷却风扇，4.滤清器，5.高压泵，6.电机，7.共轨系统， 8.控制系统，9.压力表，10.计算机，11.ccd相机，12.第一led光源，13.第二led光源， 14.喷嘴。
具体实施方式
[0031]
下面结合附图对本说明进行进一步说明。
[0032]
本发明所述的测量喷雾轮廓速度的可视化实验装置，包括测试系统和喷雾系统，测试系 统主要是用来获得喷雾的液相发展历程；喷雾系统主要提供连续稳定高压流体。所述测试方 法主要用来处理米散射测试方法得到的喷雾的液相图像，从而得到喷雾的轮廓速度。
[0033]
如图1所示，所述喷雾系统包括加热瓦、液体储存罐、冷却风扇、滤清器、高压泵、电 机、共轨系统、压力表和喷嘴，所述加热瓦、冷却风扇分别设置在液体储存罐上，液体存储 罐经过滤清器、高压泵、共轨系统与喷嘴相连，所述高压泵由电机驱动，喷嘴与共轨系统之 间的管路上设置压力表。测试系统包括控制系统、ccd相机、第一led光源、第二led光 源、处理模块，所述ccd相机置于喷嘴的一侧，所述第一led光源、第二led光源置于喷 嘴的另外两侧、并且光线照射方向与ccd相机的拍摄方向垂直；所述ccd相机与控制系统 相连，由控制系统控制拍摄时间及拍摄频率；所述控制系统还控制喷嘴的喷射时机；所述处 理模块包括图像处理模块及运算模块，所述图像处理模块用于处理ccd相机拍摄的图像，运 算模块用于基于图像处理模块处理的图像计算喷雾轮廓扩展的速度。所述运算模块为 matlab数据处理软件。所述压力表、加热瓦、冷却风扇、电机均与控制系统相连。
[0034]
ccd相机的型号为photron sa-z，拍摄速度为100000fps，像素区域大小为768*480， 曝光时间为5.4μs，镜头为尼康micro-nikkor，该镜头的最大光圈为2.8，焦距为105mm。 为了获得更好的效果，采用双led光源与相机呈90度布置。然后设置好环境温度、压力 以及燃油喷射压力，用控制系统控制燃油喷射，同时ccd相机开始拍摄，当高压燃油流过喷 嘴时形成液相喷雾，同时当光照射在喷嘴(14)下方直径较大的液滴颗粒上时发生散射，通 过对油束散射的光线进行捕捉，光谱强度较强的区域既为燃油液相喷雾部分。计算机储存得 到的喷雾图像。
[0035]
经过滤清器(4)、高压泵(6)、共轨管(7)、同时喷雾系统还能控制燃油的温度。通过控制系统(8)设定燃油温度在试验所需要的温度范围并启动燃油温度控制按钮。当燃油温度低于设定的试验温度时，系统会自动地开启加热瓦(1)，对燃油进行加热；当温度升高至设定的试验温度时，温度传感器发出信号，加热瓦停止工作。当燃油温度高于设定的试验温度时，系统会自动地开启冷却风扇(3)，给燃油降温，当温度降至设定的试验温度时，温度传感器发出信号，冷却风扇便会对燃油停止冷却。
[0036]
喷嘴(11)，最后通过回流管路2进入液体储存罐，随后又开始上个循环，实现整个系统自动循环。
[0037]
液体储存罐(2)中的燃油经过加热瓦(1)加热或经冷却风扇(3)冷却达到试验设定的值后，液体从储液罐(2)抽出，流经滤清器(4)然后到达高压油泵(5)的入口，高压油泵对燃油加压后，燃油被送至共轨系统(7)，共轨系统里的燃油压力若高于试验所设定压力值，则开启回流管路1，对共轨系统泄压，当共轨系统里燃油压力与试验所设定压力一致时，则通过控制系统(8)控制共轨系统发出指令，使燃油经过压力表(9)到达喷嘴(14)。当燃油从喷嘴14喷出时，控制系统中的同步器控制相机拍摄，使得相机能得到燃油每一次喷射的图像。拍摄的图片都将存储到计算机(10)，用于以后的分析，流过喷嘴的燃油随后会通过回流管路2流回液体储存罐。
[0038]
在试验时，首先利用ccd相机拍摄喷嘴未喷射、第一led光源、第二led光源照射状态下的图像作为背景图像，然后在第一led光源、第二led光源照射状态下，控制器同步控制喷嘴喷射、ccd相机进行拍摄作为喷射过程中的喷雾演化过程中的喷雾图像。再利用图像处理模块以背景图像为基准，将喷雾图像中的背景去除；然后再进行二值化，利用matlab软件自带的bwboundaries函数处理得到喷雾图像的轮廓坐标，再用matlab中的plot函数描绘出来。
[0039]
得到连续的图像轮廓后，在matlab中采用ptv匹配算法中的最近邻法将这第i帧喷雾图像的图像轮廓上的喷雾粒子和第i+1帧喷雾图像的图像轮廓上的喷雾粒子进行匹配，如图2所示，得到两喷雾粒子之间的位移矢量，再除以两帧图像的时间间隔，得到第i帧喷雾图像的图像轮廓上该喷雾粒子的速度矢量。
[0040]
具体的，如图3所示，所述最近邻法具体如下：
[0041]
pi代表第i帧喷雾图像轮廓，i为1，2，
…
，m-1，m为所拍摄的喷雾图像的总数量，p
i+1
表示第i+1帧喷雾图像的轮廓，并且定义横坐标x轴的方向为喷嘴喷射的方向，，通过式(1)获得第i帧喷雾轮廓上的第k个点与第i+1帧喷雾轮廓上所有点之间的距离和与x坐标之差的和的最小值：
[0042][0043]
式中k为1，2，
…
，n，n表示第i帧喷雾图像的图像轮廓上喷雾粒子的个数；j为1，2，
…
，n’，n’表示第i+1帧喷雾图像的图像轮廓上喷雾粒子的个数；pi(xk)、pi(yk)表示第i帧喷雾图像的图像轮廓上第k个喷雾粒子的横坐标、纵坐标；p
i+1
(xj)、p
i+1
(yj)表示第i+1帧喷雾图像的图像轮廓上第j个喷雾粒子的横坐标、纵坐标。c是含有(m-1)
×
n个元素的矩阵；c＝[c
i1ci2ci3
…cij
…c(m-1)n
]；
[0044]
通过c
ik
的确定第i帧喷雾图像的图像轮廓上第k个喷雾粒子经过一个拍摄间隙所
运动的 距离。
[0045]
则轮廓上喷雾粒子的速度矢量的获取方法为：
[0046][0047]
式中δt表示第i帧与第i+1帧两张喷雾图像的时间间隔。
[0048]
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本 发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均 属于本发明的保护范围。