專利名稱：一種液體橫向射流振蕩邊界的獲取方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)測(cè)量技術(shù)和圖像處理領(lǐng)域，特別是涉及一種基于高速攝影的不穩(wěn) 定流場(chǎng)中液體橫向射流最劇烈振蕩邊界的獲取方法。
背景技術(shù)：
在以液體燃料為推進(jìn)劑的發(fā)動(dòng)機(jī)中，液體橫向射流的噴注和霧化是一個(gè)非常重要 的過(guò)程。在研究橫向射流的噴注和霧化特性時(shí)，射流的邊界信息是一個(gè)很重要的測(cè)量參數(shù)， 它影響了液體橫向射流的霧化程度以及射流與氣流的摻混程度，并決定了液體橫向射流主 流的擴(kuò)展范圍。對(duì)于液體橫向射流邊界的研究，以往通常采用的方法有roPA法、片光法、 高速攝影法、陰影法、紋影法等并結(jié)合相應(yīng)的圖像處理技術(shù)，以獲取各方法所對(duì)應(yīng)的射流邊 界信息。
PDPA法采用定點(diǎn)測(cè)量的方式，能夠獲得射流破碎形成的液滴的當(dāng)?shù)伢w積流率， 并根據(jù)不同的射流邊界的定義獲得射流的外圍邊界。文獻(xiàn)“Lin K C, Kennedy P J， Jackson TA. Structures of water jets in a Mach1.94supersonic crossflow. 2004, AIAA-2004-971，，和 “Wu P K, Kirkendall K A, Fuller R P, et al. Spray structure of liquid j ets atomized in subsonic crossflow[J]· Journal of Propulsion and Power, 1998，14 (2) ; 173-182 ”對(duì)氣流中射流外圍邊界點(diǎn)的定義為射流的體積流率為0. 01cc/ (s · cm2)或0. 02cc/ (s · cm2)的點(diǎn),兩者對(duì)于液霧外圍的定義不太相同；同時(shí)F1DPA方法米 取的是對(duì)流場(chǎng)中的單點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，其效率較低、難以一次性獲得整個(gè)流場(chǎng)的射流邊界信息。
對(duì)于片光法以及相應(yīng)的圖像處理技術(shù)，文獻(xiàn)“Chaouki Ghenai, Hayri Sapmaz, Cheng-Xian Lin. Penetration height correlation for non—aerated and aerated transverse liquid jets in supersonic cross flow,Exp Fluids,2009,49 :121-129，，結(jié) 合Canny方法對(duì)采用片光法得到的數(shù)字圖像進(jìn)行處理，得到了射流的邊界。但是其得到的 邊界只是圖像處理意義上的邊界，無(wú)明確的物理意義；同時(shí)其在Canny方法中灰度梯度閾 值的選取對(duì)結(jié)果影響較大，不同的閾值所得射流邊界相差較大，數(shù)字圖像處理過(guò)程中人為 因素較大，所得結(jié)果并不唯一。
高速攝影法、陰影法和紋影法都能獲得射流主流的大致輪廓，文獻(xiàn)“賴林.帶空腔 超燃發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)流場(chǎng)試驗(yàn)和仿真研究[D].長(zhǎng)沙國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué).2003”指出采用 相同的測(cè)量方法運(yùn)用不同的數(shù)字圖像處理技術(shù)，得到的結(jié)果不盡相同。以往對(duì)基于高速攝 影所得結(jié)果的圖像處理技術(shù)而得到的射流邊界信息，都是圖像處理上的邊界，物理意義不 明確，且處理過(guò)程中人為因素較大，不能得到唯一定量化的結(jié)果。
文獻(xiàn)“J. Beloki Perurena, C. 0. Asma, R. Theunissen, 0. Chazot. Experimental investigation of liquid jet injection into Mach 6 hypersonic crossflow. Exp Fluids, 2009,46 :4. 3-417”提出了一種基于高速攝影所得圖像的灰度概率的確定射流邊界 大致位置的方法，但是其未得到定量化的結(jié)果，只是描述了射流邊界的大致位置。
總的來(lái)看，目前對(duì)于超聲速氣流中液體射流穿透深度的定義及獲取方法較多，但是有些方法相對(duì)應(yīng)的數(shù)字圖像處理方法主要測(cè)量射流最外圍邊界，有的結(jié)果的物理意義不太明確，圖像處理過(guò)程中人為因素較大，不能唯一的得到定量化的結(jié)果。對(duì)于超聲速氣流中液體射流邊界急需一種能唯一確定的、快速的、定量化的、物理意義明確的邊界獲取方法。發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述現(xiàn)狀，本發(fā)明的目的是提供一種液體橫向射流振蕩邊界的獲取方法，基于高速攝影法、圖像處理技術(shù)以及數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，通過(guò)測(cè)量氣流中液液體射流最劇烈振蕩邊界，獲取液體射流的邊界。測(cè)量方法不涉及人為因素，測(cè)量結(jié)果客觀、定量、唯一。
本發(fā)明一種液體橫向射流振蕩邊界的獲取方法，包括以下步驟
(一 )、利用高速攝影方法首先獲得觀測(cè)平面內(nèi)的標(biāo)尺，然后對(duì)氣體流場(chǎng)中的液體射流進(jìn)行拍攝，獲取射流在流場(chǎng)中的一組連續(xù)的數(shù)字圖像結(jié)果；
(二)、統(tǒng)計(jì)N幅圖像中各采集線上圖像灰度值；
以射流噴注點(diǎn)為原點(diǎn)，以氣流速度方向?yàn)閄軸正方向，以射流噴注方向?yàn)閥軸正方向，以原點(diǎn)為起點(diǎn)、X軸的正方向、以k像素距離為步長(zhǎng)，作為一個(gè)采集線，統(tǒng)計(jì)并獲取該線上所有像素點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的灰度值；
(三)、獲取各像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)灰度的概率分布及各像素點(diǎn)灰度的概率最大值；
統(tǒng)計(jì)N幅圖像中各灰度出現(xiàn)的次數(shù)n_p并獲取概率f_p = n_p/N,其中p表示某灰度值，比較并獲取該點(diǎn)所有灰度值對(duì)應(yīng)的概率最大值即fmax = max(f_p)；
(四)、獲取振蕩最劇烈的邊界點(diǎn)；
獲取采集線上所有像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的灰度概率的最大值，得到采集線上對(duì)應(yīng)的fmax_y 關(guān)系圖像，其最低點(diǎn)為振蕩最劇烈的邊界點(diǎn)。
(五)、查找所有采集線上的液體橫向射流振蕩最劇烈的邊界點(diǎn)；
(六)、將所有采集線上的振蕩最劇烈的邊界點(diǎn)連接起來(lái)，獲取射流的邊界線，根據(jù)步驟一所測(cè)量的標(biāo)尺，得到物理邊界線。
由于本發(fā)明采用高速攝影對(duì)整個(gè)流場(chǎng)進(jìn)行觀測(cè)，故本發(fā)明比roPA的單點(diǎn)測(cè)量法更加簡(jiǎn)單、快捷；同時(shí)由于本發(fā)明中圖像處理方法無(wú)人為選取閾值的步驟，故相對(duì)于高速攝影法、陰影法、紋影法所得到的結(jié)果人為因素影響較小，能獲得唯一、客觀、定量的結(jié)果 ’另外本發(fā)明結(jié)合了射流的振蕩特性，較其他高速攝影法、陰影法、紋影法和片光法中的圖像處理方法物理意義更加明確。


構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分附圖用來(lái)提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，本發(fā)明的示意性實(shí)例及其說(shuō)明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中
圖1 :本發(fā)明流 程圖
圖2 :本發(fā)明高速攝影系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
圖3 圖像分析坐標(biāo)系、觀測(cè)線及觀測(cè)點(diǎn)
圖4 觀測(cè)點(diǎn)灰度-概率圖
圖5 :觀測(cè)線位置-灰度最大概率圖
圖6:圖像處理結(jié)果具體實(shí)施方式
本發(fā)明一種液體橫向射流振蕩邊界的獲取方法，參照?qǐng)D1，具體包括以下步驟
(一 )、利用高速攝影方法首先獲得觀測(cè)平面內(nèi)的標(biāo)尺，然后對(duì)氣體流場(chǎng)中的液體射流進(jìn)行拍攝，獲取射流在流場(chǎng)中的一組連續(xù)的數(shù)字圖像結(jié)果；
參見(jiàn)附圖2，將穩(wěn)定的光源I布置在試驗(yàn)段射流7的一側(cè)，另一側(cè)布置高速攝影儀 5，光源I中心位置、射流4中心位置、高速攝影相機(jī)5的鏡頭中心位置位于同一垂直高度上。接著進(jìn)行高速攝影相機(jī)5的對(duì)焦，使相機(jī)5的焦平面2與氣流3方向以及液體射流4 方向平行，相機(jī)5的焦平面2位于射流噴孔中心并與光源I平面平行。調(diào)節(jié)光源I強(qiáng)度，減小高速攝影相機(jī)5的曝光時(shí)間、提高拍攝幀速并放大拍攝區(qū)域2，保證得到清晰的圖像并滿足拍攝幀速的要求。然后，在相機(jī)焦平面2內(nèi)放置標(biāo)尺，拍攝并保存標(biāo)尺信息。相機(jī)和光源調(diào)節(jié)完成后，保持相機(jī)和光源強(qiáng)度不變，在流場(chǎng)中通入氣體3和液體橫向射流4，射流4通過(guò)氣流3的作用發(fā)生彎曲、破碎并霧化形成小液滴，利用高速攝影儀對(duì)射流4及液滴進(jìn)行高速攝影拍攝，獲取射流在流場(chǎng)中的一組連續(xù)的數(shù)字圖像結(jié)果。( 二)、統(tǒng)計(jì)N幅圖像中各采集線上圖像灰度值；
如圖3所示，本實(shí)施例以射流噴注點(diǎn)為原點(diǎn)，以氣流速度方向?yàn)閄軸正方向，以射流噴注方向?yàn)镮軸正方向，以原點(diǎn)為起點(diǎn)、沿X軸的正方向、以每10個(gè)像素距離為步長(zhǎng)，作為一個(gè)采集線，統(tǒng)計(jì)并獲取該線上所有像素點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的灰度值。圖3中的采集線為第30個(gè)步長(zhǎng)的采集線。N為射流噴注時(shí)高速攝影拍攝圖像的張數(shù)，N越大越好,但N會(huì)影響高速攝影拍攝的清晰度。
(三)、獲取各像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)灰度的概率分布及各像素點(diǎn)灰度的概率最大值；
參見(jiàn)圖3所示,例如取X = 300的直線上點(diǎn)(300,100)作為分析點(diǎn)，由于射流的振蕩和流場(chǎng)的振蕩，在N幅圖像中像素點(diǎn)(300，100)對(duì)應(yīng)的灰度值會(huì)不斷變化，統(tǒng)計(jì)各灰度出現(xiàn)的次數(shù)n_p (其中P表示某灰度值)并獲取此灰度對(duì)應(yīng)的概率f_p = n_p/N,例如像素點(diǎn) (300，100)對(duì)應(yīng)灰度值為30的概率f_30 = n_30/N ;參見(jiàn)圖4，獲取該點(diǎn)所有灰度值(p = O 255)對(duì)應(yīng)的概率，并求取所有灰度對(duì)應(yīng)概率中的最大值即fmax = max(f_p)。
(四)、獲取振蕩最劇烈的邊界點(diǎn)；
按照步驟三中的方法，參見(jiàn)圖5，獲取X = 300直線上所有像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的灰度概率的最大值，即可得到X = 300直線上對(duì)應(yīng)的fmax-y關(guān)系圖像，確定fmax_y圖像中的最低點(diǎn)，即 fmax最小的點(diǎn)；由于射流振蕩最劇烈的邊界點(diǎn)處對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)灰度值離散度最大，各灰度值出現(xiàn)的概率都較小，故fmax值最小的點(diǎn)即為射流在X = 300位置處振蕩最劇烈的邊界點(diǎn)。
(五)、查找所有采集線上的振蕩最劇烈的邊界點(diǎn)；
按照步驟三和四的方法查找圖像中所有X = 10m(m = 1,2,3……)直線上射流振蕩最劇烈的邊界點(diǎn)，所得結(jié)果即獲取的射流的振蕩邊界。
(六)、將所有采集線上的振蕩最劇烈的邊界點(diǎn)連接起來(lái)，獲取射流的邊界線，根據(jù)步驟一所測(cè)量的標(biāo)尺，得到物理邊界線。
參見(jiàn)圖6，將步驟(五)中獲得的離散邊界點(diǎn)相連，結(jié)合(一)中所得的標(biāo)尺，將像素距離轉(zhuǎn)換為實(shí)際物理空間距離，從而獲取射流的邊界線。
各種舉例說(shuō)明不對(duì)發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容構(gòu)成限制，所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在閱讀了說(shuō)明書后 可以對(duì)以前所述的具體實(shí)施方式
作修改或變形，不背離發(fā)明的實(shí)質(zhì)和范圍。
權(quán)利要求
1. 一種液體橫向射流振蕩邊界的獲取方法，包括以下步驟(一)、利用高速攝影方法首先獲得觀測(cè)平面內(nèi)的標(biāo)尺，然后對(duì)氣體流場(chǎng)中的液體射流進(jìn)行拍攝，獲取射流在流場(chǎng)中的一組連續(xù)的數(shù)字圖像結(jié)果；(二)、統(tǒng)計(jì)N幅圖像中各采集線上圖像灰度值；以射流噴注點(diǎn)為原點(diǎn)，以氣流速度方向?yàn)閄軸正方向，以射流噴注方向?yàn)镮軸正方向， 以原點(diǎn)為起點(diǎn)、沿X軸的正方向、以每k個(gè)像素距離為步長(zhǎng)，作為一個(gè)采集線，統(tǒng)計(jì)并獲取N 幅圖像中該線上所有像素點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的灰度值；(三)、獲取各像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)灰度的概率分布及各像素點(diǎn)灰度的概率最大值；統(tǒng)計(jì)N幅圖像中各灰度出現(xiàn)的次數(shù)n_p并獲取概f_p = n_p/N,其中p表示某個(gè)灰度值，比較并獲取該點(diǎn)所有灰度值對(duì)應(yīng)的概率最大值即fmax = max(f_p)；(四)、獲取振蕩最劇烈的邊界點(diǎn)；獲取采集線上所有像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的灰度概率的最大值，得到采集線上對(duì)應(yīng)的fmax_y關(guān)系圖像，其最低點(diǎn)為振蕩最劇烈的邊界點(diǎn)；(五)、查找所有采集線上的振蕩最劇烈的邊界點(diǎn)；(六)、將所有采集線上的振蕩最劇烈的邊界點(diǎn)連接起來(lái)，獲取射流的邊界線，根據(jù)步驟一所測(cè)量的標(biāo)尺，得到物理邊界線。
全文摘要
本發(fā)明一種液體橫向射流振蕩邊界的獲取方法，包括以下步驟(一)利用高速攝影方法獲得觀測(cè)平面內(nèi)的標(biāo)尺，對(duì)氣體流場(chǎng)中的液體射流進(jìn)行拍攝，獲取射流在流場(chǎng)中的一組連續(xù)的數(shù)字圖像結(jié)果；(二)統(tǒng)計(jì)N幅圖像中各采集線上像素點(diǎn)灰度值；(三)獲取各像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)灰度的概率分布及各像素點(diǎn)灰度的概率最大值；(四)獲取采集線上振蕩最劇烈的邊界點(diǎn)；(五)查找所有采集線上振蕩最劇烈的邊界點(diǎn)；(六)將所有采集線上的振蕩最劇烈的邊界點(diǎn)連接起來(lái)，獲取射流的邊界線；根據(jù)步驟一所測(cè)量的標(biāo)尺，得到物理邊界線。本發(fā)明通過(guò)測(cè)量氣流中液液體射流最劇烈振蕩邊界，獲取液體射流的邊界。測(cè)量方法不涉及人為因素，測(cè)量結(jié)果客觀、定量、唯一。
文檔編號(hào)G01B11/00GK103033133SQ20121059566
公開(kāi)日2013年4月10日 申請(qǐng)日期2012年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月31日
發(fā)明者仝毅恒, 李清廉, 李春, 吳里銀, 吳海燕 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)