专利名称：一种液体射流最外围边界的测量装置及方法
技术领域：
本发明涉及光学测量方法和图像处理领域，特别涉及一种获取液体射流最外围边界的测量装置及方法。
背景技术：
在以液体燃料为推进剂的发动机中，液体射流的破碎和雾化是一个非常重要的过程。在研究射流的喷注和雾化特性时，射流破碎后形成的液滴的分布是一个很重要的测量参数，它决定了液体射流的雾化和其与气流的掺混程度。射流最外围边界即射流破碎后形成的液滴能达到的最大区域的外边界。液体射流的最大扩展范围在横向气流中的表现形式即为液体射流的穿透深度。在研究横向气流中的液体射流破碎和雾化过程中，文献“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，，将射流的穿透深度定义为射流中心截面液雾最外围轮廓距离底面的最大垂直距离。在获取射流最外围边界的研究方面，通常采用的方法是roPA法、高速摄影法、纹影法、阴影法和片光法。PDPA法采用定点测量的方式能够获得射流破碎形成的液滴的当地体积流率，并根据不同的射流边界的定义获得射流的外围边界。文献“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，，对横向气流中射流外围边界点的定义为射流的体积流率为0. Olcc/(s · cm2)或0. 02cc/(s · cm2)的点，两者对于液雾外围的定义不太相同；同时TOPA方法采取的是对流场中的单点进行测量，其效率较低、难以一次性获得整个流场的射流边界信息。高速摄影法、阴影法和纹影法都能获得射流主流的大致轮廓，文献“赖林.带空腔超燃发动机燃烧室内流场试验和仿真研究[D].长沙国防科学技术大学.2003”对于不同的测量方法采用不同的数字图像处理技术，得到的结果不尽相同，且文献“刘静，徐旭.高速气流中横向液体射流雾化研究进展.力学进展.2009，Vol. 39No. 3. 273-283”指出，采用高速摄影法、阴影法、纹影法得到的射流穿透深度小于TOPA方法的结果，原因是高速摄影法、阴影法和纹影法难以捕捉和测量得到射流主流外围液雾稀薄区域的内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围的边界。在应用片光法进行射流扩展边界的研究时，文献“ 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”将激光片光作用于观测平面并在垂直于观测平面的位置布置相机记录粒子散射的光信息，但是其对片光法得到的数字图像采用Canny方法进行处理，即对数字图像用人为选取的灰度梯度阈值进行过滤，得到灰度梯度较大的像素位置点作为射流的边界。其在图像的处理过程中应用的Canny方法，人为因素和不确定性较大，灰度梯度的阈值选取对射流边界的确定有较大影响；同时由于液滴的浓度分布不均匀，使得片光法得到的图像结果中，灰度分布不均匀，灰度梯度最大值对应的像素点并非一定在射流外围边界上，其可能在浓密液雾和稀薄液雾的分界点上，故Canny方法处理得到的边界结果不一定是射流的最外围边界；另外，采用Canny法处理片光图像结果得到的射流边界的物理意义不够明确。总的来看，目前对于气流中液体射流边界的获取方法较多，但是这些方法难以得到的射流的最外围边界，同时采用不同的数字处理方法对得到的图像结果进行处理得到的射流边界不尽相同，且有些观测方法效率较低，急需发展一种快速、高效且定量化的获取射流最外围边界的研究方法。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种液体射流最外围边界的测量装置及方法，可获取液体射流破碎后形成的液滴在整个流场观测平面内最外围边界定量信
肩、O本发明一种液体射流最外围边界的测量装置，包括计算机1、相机8、试验段7、激光发生器2。射流5喷入试验段7内雾化形成小液滴，激光发生器2发出激光片光3照射在小液滴上，相机8的焦平面6、激光片光3与所要观测的平面处于同一平面，相机8用来拍摄激光平面内的小液滴；试验段7对应的相机8拍摄面以及激光片光3入射面为透明的，整个测量装置处于暗室环境，计算机I采集相机8所拍摄的图像、将拍摄的图像进行二值处理获取射流边界图、计算射流边界的物理距离信息。利用上述装置的一种液体射流最外围边界的测量方法，包括以下步骤步骤一、标定测量装置，获取观测平面像素距离和物理距离对应的标尺；步骤二、利用相机8对射流及液滴进行拍摄，获取图像结果；步骤三、将步骤二所得到的射流稳定时的图像结果转化为灰度图，再对此灰度图进行二值处理，提取边界；步骤四、根据步骤一所获取的标尺，计算射流边界的物理距离信息。进一步，所述步骤三中二值处理为采用灰度阈值为O的二值处理方法。进一步，所述步骤三在提取边界后还包括负片处理。由于本发明采用激光片光对整个流场进行观测，故本发明比TOPA的单点测量法更加简单、快捷；同时由于本发明中图像处理的灰度阈值选取为0，故相对于高速摄影法、阴影法、纹影法所得到的结果更加唯一和定量化；另外本发明根据液滴对激光的散射成像，较高速摄影法、阴影法、纹影法和片光法中的图像处理方法物理意义更加明确。
图1 :本发明一种液体射流最外围边界的测量方法流程2 :本发明一种液体射流最外围边界的测量装置结构示意图
图3 :利用本发明获取的激光片光试验结果4 :对激光片光试验结果图进行二值处理结果5 :边界提取结果图
具体实施例方式下面结合附图对本发明进行详细的描述。本实施例为一种液体射流最外围边界的测量装置，其结构示意图如图2所示。包括计算机1、相机8、试验段7、激光发生器2。射流从试验段7底部喷出，在气流4的作用下偏折、破碎、雾化成小液滴，相机8用来拍摄小液滴；激光发生器2发出激光片光3照射在小液滴上，相机8的焦平面6、激光片光3与所要观测的平面处于同一平面。试验段7对应的相机8拍摄面以及激光片光3入射面为透明的，其余面涂黑，保持试验室暗室环境，防止激光在试验段观测平面以外的反射与干扰，防止外界干扰光信号进入相机8。计算机I控制激光发生器2的开启和关闭，同时采集相机8所拍摄的图像。射流通过气流4的作用形成小液滴，开启激光发生器2，激光片光3照射过来，只要有液滴存在的位置，液滴就会散射激光，使激光信号进入相机8成像，对应像素的灰度值不为O ;不存在液滴的位置，不散射激光，相机8成像对应像素的灰度值为O。计算机对成像进行处理，获取其边界。本实施例介绍的是利用气流4将射流形成小液滴，还可以通过喷嘴等其他方式直接雾化形成小液滴。利用上述装置测量液体射流最外围边界的方法，如图1所示。具体包括以下步骤步骤一、标定测量装置；调节相机的焦距以及激光片光平面，使相机的焦平面6、激光平面3和所要观测平面重合，对焦完成后，获取观测平面像素距离和物理距离对应的标尺。然后，保证整个测量装置及测量过程处于暗室环境中，流场中不加入任何液滴，开启激光器，进行试验拍摄，获得图像结果，图像结果中所有像素点灰度值均为O。步骤二、利用相机13对小液滴进行拍摄，获取图像结果；开启激光器；试验段7内喷入射流，通入气体4，射流偏折、破碎、雾化形成小液滴；利用相机8对射流及小液滴进行拍摄，获取图像结果。图3为获取的液滴散射激光片光的图像。测量过程中，调整相机8光圈的大小和激光器2能量的大�。沟玫降耐枷窠峁逦椅奁毓夤鹊南窒�。步骤三、将步骤二所得到的射流图像结果转化为灰度图，再对此灰度图进行二值处理，提取边界；先将步骤二中所得图像结果转变为灰度图，由于灰度为将白色与黑色之间按照对数关系分为的若干等级，且灰度分为0-255的256阶，灰度值为O表示黑色，灰度值为255表示白色，用灰度表示的图像称为灰度图。采用灰度阈值为O的二值处理方法对此灰度图进行二值处理，即图像中所有灰度值大于O的像素点的灰度值将转变为255，为白色，而所有灰度值为O的像素点的灰度值仍保持为O,为黑色。在观测平面内，只要有液滴存在的位置，液滴就会散射激光使激光信号进入相机8成像，对应像素点灰度值将大于O，因此进行二值处理后的图像中对应灰度值为255的像素点即为液滴存在的位置，从而得到液滴分布范围，所得结果如图4所示。再采用公知的Sobel边界提取方法，对以上二值处理后所得结果进行边界提�。玫缴淞鞅呓缤枷瘛Ｈ缓笤俳懈浩恚傻玫饺缤�5所示更清晰的射流边界图像。步骤四、根据步骤一所获取的标尺，计算射流边界的物理距离信息。根据步骤一所得标尺，将所得图像结果中边界的像素距离转化为实际物理距离，将射流的像素距离信息转变为物理距离信息，从而确定射流扩展的最大物理边界。本发明把激光光束经过组合透镜扩束成片光照明流�。褂檬窒嗷纳懔鞒。萘Ｗ佣约す獾纳⑸涮匦裕玫降牧鞒≈械牧Ｗ拥乃彩蓖枷窠峁菟猛枷窠峁写恚玫缴淞骼┱沟淖畲笪锢肀呓�。各种举例说明不对发明的实质内容构成限制，所属技术领域的普通技术人员在阅读了说明书后可以对以前所述的具体实施方式
作修改或变形，不背离发明的实质和范围。
权利要求
1.一种液体射流最外围边界的测量装置，包括计算机(I)、相机(8)、试验段(7)、激光发生器⑵；射流(5)喷入试验段(7)内，激光发生器(2)发出的激光片光(3)照射在射流雾化形成的小液滴上，相机(8)的焦平面、激光片光(2)与所要观测的平面处于同一平面，相机(8) 用来拍摄激光平面内的小液滴；试验段(7)对应的相机(8)拍摄面以及激光片光(3)入射面为透明的，整个测量装置处于暗室环境，计算机(I)采集相机(8)所拍摄的图像、将拍摄的图像进行二值处理获取射流边界图、计算射流边界的物理距离信息。
2.利用权利要求1的一种液体射流最外围边界的测量方法，包括以下步骤步骤一、标定测量装置，获取观测平面像素距离和物理距离对应的标尺；步骤二、利用相机(8)对小液滴进行拍摄，获取图像结果；步骤三、将步骤二所得到的射流稳定时的图像结果转化为灰度图，再对此灰度图进行二值处理，提取边界；步骤四、根据步骤一所获取的标尺，计算射流边界的物理距离信息。
3.如权利要求2所述的一种液体射流最外围边界的测量方法，其特征在于所述步骤三中二值处理为采用灰度阈值为O的二值处理方法。
4.如权利要求2所述的一种液体射流最外围边界的测量方法，其特征在于所述步骤三在提取边界后还包括负片处理。
全文摘要
本发明一种液体射流最外围边界的测量装置及方法，装置包括计算机、相机、试验段、激光发生器；射流喷入试验段，激光发生器发出激光片光照射在射流液滴上，相机的焦平面、激光片光与观测的平面处于同一平面，相机用来拍摄激光平面内的小液滴；试验段对应的相机拍摄面以及激光片光入射面透明，测量装置于暗室环境，计算机采集拍摄的图像并进行二值处理获取射流边界图，计算其物理边界距离信息。方法包括一、标定测量装置；二、利用相机对液滴拍摄，获取图像结果；三、图像结果转为灰度图，提取边界；四、计算射流边界的物理距离信息。本发明可获取液体射流破碎后形成的液滴在整个流场观测平面内最外围边界定量信息。
文档编号G01B11/24GK103017683SQ201210595658
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月31日 优先权日2012年12月31日
发明者仝毅恒, 李清廉, 吴里银, 李春, 刘娟, 赵玉新 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学
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