高热流密度下R113核态沸腾中汽化核心密度的识别

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?２８０?热能动力工程２００６年长、宽、高分别为１４０ｒ呦、１４０ｍｍ和２５０ｒ咖的不锈钢体。沸腾加热槽中有４个辅助加热器，每个加热器的最大加热功率为１５０Ｗ。Ⅱ．｜ｏ膜是一种透射可见光和导电的加热膜。它由氧化铟和金属锡组成。采用ｒｍ膜作为加热壁面，由于ｒｍ膜是透明的，可以从加热壁面下方直接观察到气泡的动态特征。ｒＩＤ膜的另一个特性是其电阻和温度之间呈线性变化。在实验前和实验后分别对Ⅱ１Ｃｌ膜进行标定，得到其电阻和温度之间的关系。在实验过程中记录下册膜电阻的变化，就可以得到邢膜的温度。为了在哟膜上得到均匀的热流密度，在聃膜两端镀上了银电极。沸腾传热面是镀有ｒＩ＇Ｏ膜的玻璃，固定在加热槽的底面。沸腾在Ⅱ．｜０表面上产生。ｒ１１０加热玻璃是个直径为７０ｍｍ的圆盘。实际的加热部分是一个长３０ＨⅡｎ，宽３０ｎⅡｎ的正方形薄膜（如图２所示）。为了保证沸腾换热只在该面积上产生，只保留该面积上的ⅡＤ膜，其余部分是酸蚀毛玻璃，这种毛玻璃可以防止实验中液体从容器中遗漏出来。实验过程中利用电流表测量通过ⅡＤ膜的电流，电流表的精度为０．５％。利用数据采集系统（Ａｇｉｌｅｎｔ姗０Ａ）来测量Ⅱ１Ｃｌ膜两端的电压，其误差为０．０吆％。利用所测得的电压和电流，计算出ｒＩＤ膜的电阻。实验中将高速摄像仪置于ｒＩ’Ｏ加热玻璃下方，这样摄像的优点是能够全面地观察实验中气泡的动态特征和排除由于流体扰动对摄像造成的影响。实验中采用微距镜头（ＡＦＭｉｃｍ．Ｎｉｋｋｏｒ６０姗ｆ／２．８Ｄ）作为拍摄镜头，其最大放大倍率为１．０。

图１沸腾实验系统图图２啪加热玻璃实验中采用两只镍铬一镍硅热电偶来分别测量蒸汽和液体的温度，热电偶的测量端直径为０．５姗，其误差是±ｏ．１℃。采用压力传感器来测量系统的压力，其误差为０．１％。２．２实验过程（１）首先要对沸腾槽中的液体工质进行除气。先将冷凝器的阀门拧紧，将沸腾容器与真空泵通过真空管连接，打开真空泵，抽真空半个小时。抽真空后，再灌入液体，使液体水平面距沸腾加热面达到１２０姗左右。随后打开冷凝器，使沸腾换热容器与大气相同，打开冷凝器的进水开关，将４个辅助加热器全部打开，调节辅助加热器的功率，使容器内的液体达到充分发展的核态沸腾状态。整个除气过程持续２ｈ后关闭辅助加热器。（２）给ｒｍ膜通电，加热液体。在每一热流密度下，加热状态持续２０１１１ｉｎ。待系统稳定后，记录ⅡＤ膜两端的电流和电压，计算出册膜的电阻。在加热壁面上气泡产生之前，加热功率的增加幅度是１Ｗ，次。当加热壁面上产生气泡后，加热功率的增加幅度是２Ｗ／次。（３）将高速摄像仪打开，同时打开光源，调节三角支架的高度和镜头的焦距，以便得到清晰的图像。调节好高速摄影仪的位置，在每一个加热功率下开始拍摄。（４）实验结束后，回收残余液体工质。３高热流密度下汽化核心数量的识别对所拍摄到的气泡图像进行处理时采用的是边缘检测技术。从本质上讲，图像边缘是图像局部特性不连续的反映，它标志着一个区域的终结和另一个区域的开始。边缘检测首先检出图像局部特性的不连续性，然后再将这些不连续的边缘像素连接起

来就构成了边缘。对于一个数字图像，通常使用微

第３期贾涛，等：高热流密度下Ｒ１１３核态沸腾中汽化核心密度的识别

?２８１?

分来描述像素灰度的不连续性。ｅ表示灰度沿并方向的微分，Ｇ，表示灰度沿，，方向的微分。用ｇ表

示梯度：

ｇ＝（Ｇ：＋Ｇ；）１彪

（１）

在对图像中的各像素进行微分运算时采用３×

３像素的网格，如图３所示。

在对气泡图像进行边缘检测前先ＺｌＺ２

Ｚ３

对图像进行中值滤

波（６］，这样可以消除

Ｚ４

Ｚ５

Ｚ６

图像中的一些噪声。采用ｓｏｂｅｌ边缘检测Ｚ－

Ｚ８

Ｚ９

法对气泡图像进行

识别［７］，式（２）和式毛（ｆ＝１，２，……，９）表示灰度值

（３）为ｓｏｂｅＩ边缘检图３３×３像素的网格

测算子在戈和，，方

向的微分。

ｅ。捌＝（彳７＋２彳８＋三９）一（ｚ１＋２彳２＋三３）（２）Ｇ，。０ｂｄ＝（ｚ３＋２２６＋ｚ９）一（三ｌ＋２２４＋三７）

（３）

ｓｏｂｅｌ检测算子对应的梯度值为：ｇｓｏｂｅｌ为：

ｇ—ｓｏｂｅｌ＝［Ｇ：ｓｏｂｅｌ＋Ｇ；蒯］ｌ／２

（４）

对于某一像素，当髯ｓｏｂｅｌ大于某一阀值时，

该像素为一边缘点。

图４高热流密度下Ｒ１１３池沸腾中的气泡图像图４为高热流密度下Ｒ１１３池沸腾中的气泡图像，图５为对图４中的图像进行ｓｏｂｅｌ检测的结果。从图６中可以清晰地看到气泡群中各个气泡的边缘，从而区分开了气泡群中包含的各个气泡，准确地识别出气泡群中所包含的气泡个数。但是气泡的数

量并不等于这些气泡下面汽化核心的数量。这主要是由于气泡合并造成的。气泡的合并分为纵向合并和横向合并。当图像识别中识别出两个气泡，但这

图５

高热流密度下Ｒ１１３池沸腾

中的气泡图像的边缘检测结果

呷

吕

芝恻撤

４

蜒篁蜒

图６汽化核心密度随热流密度的变化

两个气泡发生了纵向合并（如图５（ｂ）所示），其两个气泡对汽化核心数量的贡献为１，当图像识别中识

别出一个气泡，但这个气泡是由两个气泡横向合并而来的（如图５（ｄ）所示），这个气泡对汽化核心数量

的贡献应该为２。值得提出的是，气泡的合并情况只能通过拍摄到的气泡的时间序列来判断。这在目前还依赖于人肉眼的观察。实验中每个拍摄图像对

应的实际拍摄面积为２．０５一。汽化核心的数量

除以实际拍摄面积即为汽化核心密度。图６显示了

汽化核心密度随热流密度的变化。

?２８２?热能动力工程２００６年

度下能够较好地辨别出图像里气泡群中所包含的气

４误差分析泡个数。

导致由图像边缘检测技术识别汽化核心数量的（３）气泡合并是造成气泡图像中包含的气泡数误差的因素主要有３个方面：量和这些气泡下面的汽化核心数量之间存在差异的

主要因素。先由图像边缘检测技术识别出气泡图像

４．１噪音干扰中包含的气泡个数后，然后再将上述因素考虑在内，

高速摄像仪拍摄到的图像中都含有一定的噪就可以得到汽化核心的实际数量。声，文中运用了中值滤波的方法减少了噪声的影响。

参考文献：

４．２气泡合并

图像中如果出现两个气泡纵向合并的情况，这【１ｊＲ０ｓＳＬ脚，ＡＮＤＲ日ｓＩⅧＡＮＯＶ．Ｂｕｂｂｊｅ两个气泡对汽化核心数量的贡献是１。如果是两个ａｓｔ印ｃｈ肌铲ｉＩｌｈｅａｔｎｌｌ】【［Ｊ］．ｍ蛔ⅡＩ删Ｊ０ｕ珊ｌＩｍｃｌｅ枷０ｎｉＩｌｒｅｓｐ∞∞ｔｏｏｆ酗ｔａｎｄ

＾钿鼹７Ｉ＿Ｈ啪娟盯．２００４．４７：２１４９—２１５９．

气泡横向合并的情况，这合并成一个气泡的对汽化［２］ｃＩＥＳｕＮｓｌ（ＩＪＴ，ＭＯｓＤｏＲＦＲ．Ｇ踮ｂｕ蝴ｅｄ珊血ｃｓ＿ｅｘｐｅｒｉＩｒ唧ｔａｌ锄ｄ核心数量的贡献应该是２。目前对气泡合并（是纵ｆｍｃｔａｌ∞ａｌｙｓｉｓ［Ｊ］．瑚蜘喇ｉｏｌ脚Ｊ０衄诚ｏｆ肭ｔａＩＩｌ蛐璐．Ｉｈ璐－向合并还是横向合并）的识别还依赖于肉眼。如何ｆｅｒ，２００５，４５：１８０８—１８１８．依靠图像处理识别出图像中气泡的合并情况是一个【３］ＱＩＹ１ＪＳＥＮ，ｌ（ＩＡｕＳＮＥＲＪＡ狐ＳＦ，ＭⅡＲＥＮｗＥＩ．Ｒｏｌｅｏｆ吼ｌ出ｃｅ很有挑战性的研究。栅ｃｔｕｍｌⅫ删№璐ｎ础，２００４，４７：３０９ｒ７—３１ｃｒ７．ｉｎｈｅｔｅ哪卿ｅⅢｓｎｕｄ枷∞ｌＪ］．ｈ妇瑚６伽岫Ｊ０ｕｒ叫０ｆ４．３图像边缘区域的影响［４］唧０ＦＡＮＯＵＳＴＧ，ｒＩＴＵＪＰ，ＤＩＮＨＡＴ，甜以．．１１ｌｅ梳ｌｉｎｇｃｄｓｉｓｐｈｅ－

如图４所示，所拍摄到的气泡图像的边缘包含ｎ伽【’ｅｒ哪ｐａＩｔＩ：ｎｕｃｌｅａ￡ｉｏｎ跚ｄｎｕｄｅａｌｅｂｏｉｍ唱ｍｕ耐矗［Ｊ］．ＤｑｐｅＩｉ?有一些不完整的气泡图像。这些边缘图像下面是否Ｉ砌绷髓呱嘲锄ｄ里ＫｄＳｄ雠睫．２００２＋２６：７７５—７９２．有汽化核心是一个较难判断的问题。如何定量地解【５ｊＹＡＮＧｓＲ，ｘＵＺＭ．０ｈｔｈｅ如ｃｔａｌｓｉｔｅ决这一问题也是未来研究的一个重要方向。枷ｔｙｆｏｒ州‰ｌｉＩｌｇ［Ｊ］．№ｍａ岫出Ｊｏｕ删０ｆ酗ｔｄｅｓｃ血血∞ｏｆａｃⅡｖｅⅡｕｃｌｅａ＿ｔｉｏｎａＩＩｄＭ蜮ｎ锄ｄ打。２００ｌ。４４：２７８３—２７８６．

［６］ｕＮＡＧＡＲｃｆＡｃＡＢ砌￡ＲＡ．ＭｅｄｉａＩｌ—ｔｙｐｅ珂ｔｅ璐ｗｉｍＨｎｉｅｌ—ｂａｓｅｄｐｒｅ—

５结论ｓｅｌ枷ｏｎⅡｌａ８ｌ【ｓ［Ｊ］．蛔辨８ｎｄＶｉ妇Ｃ叩邺哑，１９９６，１４：７４１—

７５２．

（１）从加热壁面底部拍摄气泡图像的摄像方法［７］Ⅺ１＇ＩＩ正Ｒｊ。０ｎｔｌｌｅ可以准确并且全面地捕捉到加热壁面上气泡的动态Ｖ强蚰ｃＥ粕吣，１９８３，１：３７—４２．ａｃｃｕｒａｃｙｏｆｔ｝ｌｅｓｏｂｅｌｅｄｇｅｄｅ呦［Ｊ］．五嘲擎ａ耐行为，并且消除流体扰动对摄像的干扰。（渠源编辑）

（２）图像边缘检测技术可以使我们在高热流密（上接第２７８页）

（２）不同类型的挡板、液柱流量、气体流速以及喷嘴与挡板的间距，对雾化液滴的尺寸和液滴运动参考文献：速率都有较为明显的影响；［１］范洁川．近代流动显示技术［Ｍ］．北京：国防工业出版社，２００２．

（３）选用圆钢挡板，增大气体流速，减小喷嘴与［２］陈向阳，邹介棠．使用ＰⅣ技术测量喷嘴附壁射流的冷态流场挡板的间距有利于增强液柱的雾化效果，即雾化液［Ｊ］．流体机械，２００３，３１（９）：５—１４．

［３］孙鹤泉，康海置，李广伟．二维流场测量技术：ＰⅣ［Ｊ］．研究与开

滴尺寸减小，液滴运动速率增大；发，２００２（６）：４３—４５．

（４）增大液柱流量，虽不可减小雾化液滴尺寸，但【４ＪＬｕＹＯＮＧ，ｗＡＮＧＦＥＮＣＵＮ，ＷＡＮＧＳｍＭＩＮ．Ｍｅａ鲫ｌ嘲栅ｔ０ｆｃｍ－液气比及液滴运动速率增大，有利于提高脱硫效率；咖ｎａｔｉｏｎｏｆｓ０Ｉｂｅｎｔｐ枷ｃｌｅｓ跚ｌｄｗａｔｅｒｄＩｏｐＩｅｔｓｉＩｌｈｙ击蕊ｏｎｄ嘲曲?酬ｅｒ分布，根据实验数据，可以得到各种实验工（５）液柱冲击塔内的雾化液滴粒径遵循Ｒｏｓｉｎ一ｒｉｚ砒ｉ蚰ｒｅａｃｔｏｒｗｉｍＰＩＶｌＪＪ．知棚瑚ｌｏｆｓ【灯山曲随Ｕ函ｖｅ商ｔｙ（Ｅｈ－

毋曲删６０ｎ），２００３，１９（１）：８３—８７．

况条件下相应的液滴颗粒粒径胝ｉｎ—Ｒａｍｍｌｅｒ分布［５］戴丽燕．关于Ｒｏｓｉｎ—Ｒ舢砌”粒径分布函数的研究［Ｊ］．工业安全

与防尘，２０００（５）：６—８．

参数ｎ、ｄ，从而确定粒径分布特征。（渠源

编辑）