一種基于計算同調(diào)群的流體流型行為與傳熱協(xié)同關(guān)系的表征方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于計算同調(diào)群的流體流型行為與傳熱協(xié)同關(guān)系的表征方法，屬于直接接觸式換熱器性能指標(biāo)評價【技術(shù)領(lǐng)域】。采用高速攝像機拍攝混合圖像的方式收集不同工況的同調(diào)群的流體流型行為的圖像；將收集到每一張不同工況的同調(diào)群的流體流型行為的圖像采用數(shù)字圖像處理技術(shù)計算氣泡群邊緣周長；將氣泡群邊緣周長按照時間序列點擬合出相對應(yīng)該工況的曲線圖，獲得該工況的穩(wěn)定狀態(tài)時間，并得到每一個工況的平均氣泡群邊緣周長，然后通過平均氣泡群邊緣周長除以穩(wěn)定狀態(tài)時間得到單位時間周長；采用單位時間周長與同調(diào)群流體流型行為的容積換熱系數(shù)的平均值的協(xié)同關(guān)系表征換熱過程中的熱傳遞情況。本方法具有較高的應(yīng)用價值，且簡單易行。
【專利說明】—種基于計算同調(diào)群的流體流型行為與傳熱協(xié)同關(guān)系的表征方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于計算同調(diào)群的流體流型行為與傳熱協(xié)同關(guān)系的表征方法，屬于直接接觸式換熱器性能指標(biāo)評價【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，國際能源形勢劇變、原油價格不斷飆升，能源問題日益凸顯。能源危機作為當(dāng)今世界各國所面臨的主要社會問題之一，更是隨著人類社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展而日益嚴(yán)峻。改革開放以來，以資源的高消耗，環(huán)境的嚴(yán)重破壞為代價的粗放型經(jīng)濟模式已不能保證中國經(jīng)濟的持續(xù)健康發(fā)展，能源對經(jīng)濟良性發(fā)展已構(gòu)成嚴(yán)重制約。當(dāng)今世界，人類利用的能源主要為石油、煤、天然氣等化石燃料。然而，隨著人類社會工業(yè)化生產(chǎn)的發(fā)展和人們生活水平的提高，人類對能源的需求與其有限儲量之間的矛盾也愈演愈烈。因此，合理利用現(xiàn)有能源和開發(fā)新能源已經(jīng)成為世界性的研究課題。
[0003]在開發(fā)和合理利用新能源的趨勢下，換熱器作為合理利用和節(jié)約能源、開發(fā)利用新能源的關(guān)鍵設(shè)備，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。直接接觸式換熱是一種新型高效的換熱方式，具有傳熱系數(shù)高、不易腐蝕、可在低溫下操作和不易結(jié)垢等傳統(tǒng)換熱方式所無法比擬的優(yōu)點，而且由于汽液兩相流動的擾動，其傳熱系數(shù)可比單相流大20?100倍，因而在石油化工、動力、能源、節(jié)能技術(shù)等諸多領(lǐng)域中都具有廣泛的應(yīng)用。容積換熱系數(shù)是直接接觸式換熱器的一個重要的性能指標(biāo)，它是衡量直接接觸式換熱效率的關(guān)鍵，其影響因素眾多，包括發(fā)生器內(nèi)連續(xù)相體積、溫差分布情況、換熱量等。直接接觸式換熱器內(nèi)部傳熱非常復(fù)雜，容積換熱系數(shù)的計算和測量非常的困難，且其影響因素量值本身也是隨時間而變化的，實際測量很難進行或精確測量，致使測量結(jié)果不能正確地反映實際傳熱情況。因此，發(fā)明一種簡單易操作且有效的多相混合傳熱的熱傳遞過程表征方法具有一定的現(xiàn)實意義和較高的應(yīng)用價值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題及不足，本發(fā)明提供一種基于計算同調(diào)群的流體流型行為與傳熱協(xié)同關(guān)系的表征方法。本方法具有較高的應(yīng)用價值，且簡單易行，可以靈敏、快速、可靠、實時地表征熱傳遞過程中的熱傳遞情況，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)。
[0005]一種基于計算同調(diào)群的流體流型行為與傳熱協(xié)同關(guān)系的表征方法，其具體步驟如下:
(1)首先采用高速攝像機拍攝混合圖像的方式收集不同工況的同調(diào)群的流體流型行為的圖像，即從換熱混合開始時刻起連續(xù)拍攝8分鐘收集該工況的6000幅混合圖像；
(2)在matlab環(huán)境下，將步驟(I)收集到每一張不同工況的同調(diào)群的流體流型行為的圖像采用數(shù)字圖像處理技術(shù)計算氣泡群邊緣周長，具體為:
①首先將每一個工況中的所有圖像采用matlab函數(shù)imread讀進matlab中；②依次選取步驟①中的每一個工況中的每一張圖像，然后采用matlab函數(shù)im2bw作二值化處理；
③將經(jīng)二值化處理后的圖像采用matlab函數(shù)imerode對其做腐蝕處理；
④將經(jīng)腐蝕處理后的圖像采用matlab函數(shù)imdilate對其做膨脹處理；
⑤最后將膨脹處理的圖像運用函數(shù)regionprops(L{i}，’ Perimeter’)計算每一幅膨脹圖像中每一個氣泡的邊緣周長并加總，即獲得每一幅圖像的氣泡群邊緣周長；
⑥將其余工況的圖像按照步驟①至④進行處理，獲得所采集的所有圖像的每一張圖像的氣泡群邊緣周長；
(3)將每一個工況的所有氣泡群邊緣周長按照matlab函數(shù)plot按照時間序列點擬合出相對應(yīng)該工況的曲線圖，通過該曲線圖穩(wěn)定狀態(tài)獲得該工況的穩(wěn)定狀態(tài)時間!，其單位為：s，同時通過matlab的數(shù)據(jù)分析得到每一個工況的平均氣泡群邊緣周長己，然
后通過平均氣泡群邊緣周長除以穩(wěn)定狀態(tài)時間得到單位時間周長，即單位時間周長=C/i
(4)采用步驟（3)中的氣泡群邊緣單位時間周長與同調(diào)群流體流型行為的容積換熱系
數(shù)的平均值瓦的協(xié)同關(guān)系表征換熱過程中的熱傳遞情況，通過步驟（3)獲得不同工區(qū)的單
位時間周長，比較不同工區(qū)的單位時間周長值的大小后，將單位時間周長值最大值工區(qū)的換熱條件應(yīng)用于生產(chǎn)過程中。 [0006]所述容積換熱系數(shù)的平均值沉為8分鐘內(nèi)容積換熱系數(shù)的平均值。
[0007]某廠生產(chǎn)過程中有9個工況需氣-液換熱，為簡單易操作地了解換熱過程中的熱傳遞情況，該廠通過計算同調(diào)群的流體流型行為來驗證與傳熱的協(xié)同關(guān)系，具體是：
(O首先采用高速攝像機拍攝混合圖像的方式收集9個工況的同調(diào)群的流體流型行為的圖像，即從換熱混合開始時刻起連續(xù)拍攝8分鐘，收集每個工況足夠用于統(tǒng)計分析氣泡群性能的6000幅混合圖像；
(2)在matlab環(huán)境下，將步驟（I)收集到每一張不同工況的同調(diào)群的流體流型行為的圖像采用數(shù)字圖像處理技術(shù)計算氣泡群邊緣周長，具體為：
①首先將每一個工況中的所有圖像采用matlab函數(shù)imread讀進matlab中；
②依次選取步驟①中的每一個工況中的每一張圖像，然后采用matlab函數(shù)im2bw作二值化處理；
③將經(jīng)二值化處理后的圖像采用matlab函數(shù)imeiOde對其做腐蝕處理，以消除圖像上細小的噪聲；
④將經(jīng)腐蝕處理后的圖像采用matlab函數(shù)imdilate對其做膨脹處理，其目的是連接氣泡邊緣的斷點并使氣泡邊緣平滑，便于計算氣泡邊緣周長，①至④的原始圖像處理流程如圖I所示；
⑤最后將膨脹處理的圖像運用函數(shù)regionprops(L{i}，’ Perimeter’)計算每一幅膨脹圖像中每一個氣泡的邊緣周長并加總，即獲得每一幅圖像的氣泡群邊緣周長，每個工況對應(yīng)6000個氣泡群邊緣周長；
⑥將其余工況的圖像按照步驟①至④進行處理，獲得所采集的所有圖像的每一張圖像的氣泡群邊緣周長，處理步驟如圖I所示；(3)將每一個工況的所有氣泡群邊緣周長按照matlab函數(shù)plot按照時間序列點擬合出相對應(yīng)該工況的曲線圖，以此曲線圖中周長變化表征該工況換熱過程中的同調(diào)群流體流型行為，通過該曲線圖穩(wěn)定狀態(tài)獲得該工況的穩(wěn)定狀態(tài)時間I其單位為：s，其中曲線圖穩(wěn)定狀態(tài)指：曲線波動趨于平穩(wěn)的狀態(tài)，穩(wěn)定狀態(tài)時間?指：曲線波動趨于平穩(wěn)的開始時刻；同時通過matlab的數(shù)據(jù)分析得到每一個工況的平均氣泡群邊緣周長己，然后通過平均氣
泡群邊緣周長除以穩(wěn)定狀態(tài)時間得到單位時間周長，即單位時間周長=己/i，圖2為工況5氣泡群邊緣周長擬合圖，圖2中曲線先波動較大，在時間142. 6s后開始趨于平穩(wěn)，即該工況的穩(wěn)定狀態(tài)時間=142. 6s，從圖2可看出，該工況的平均氣泡群邊緣周長己=32393. 6，則其即單位時間周長=CU =227. 2 ；
(4)將每一個工況的容積換熱系數(shù)通過換熱系數(shù)公式計算出8分鐘內(nèi)每整分鐘的容積換熱系數(shù)，各工況容積換熱系數(shù)隨時間變化如圖3所示，然后計算各工況8分鐘容積換熱系
數(shù)平均值P；，即各工況第I分鐘，第2分鐘，第3分鐘，……，第8分鐘容積換熱系數(shù)的平
均值,其單位為：/Ot3 .I ;
(5)為了使單位時間周長與容積換熱系數(shù)協(xié)同關(guān)系更直觀，將步驟（3)得到的每一個工況的單位時間周長縮小150倍，即Ct = C/(150xi),以每一個工況為橫坐標(biāo)，該工況8分鐘
容積換熱系數(shù)平均值反和每一個工況的單位時間周長縮小150倍Ct為縱坐標(biāo)得到不同的點，其余工況也獲得關(guān)于該工況對應(yīng)的8分鐘容積換熱系數(shù)平均值瓦和單位時間周長縮小150倍C；的不同點，將不同工況的8分鐘容積換熱系數(shù)平均值!^點連接成曲線，同時也將不同工況的單位時間周長縮小150倍Q點連接成曲線，直觀觀察8分鐘容積換熱系數(shù)平均值$和單位時間周長縮小150倍^的相關(guān)性及變化趨勢，如圖4所示，由圖4可知單位時間周長與容積換熱系數(shù)平均值巧的變化趨勢基本一致，兩者協(xié)同關(guān)系較好。
[0008](6)將每一個工況的單位時間周長Q為橫坐標(biāo)，該工況8分鐘容積換熱系數(shù)平均
值$為縱坐標(biāo)得到一個點，將其余每一個工況按照單位時間周長為橫坐標(biāo)，該工況8分鐘
容積換熱系數(shù)平均值瓦為縱坐標(biāo)得出其余點，將所有得到的點進行直線擬合，獲得相關(guān)系數(shù)，如圖5所示，其相關(guān)系數(shù)為O. 94。通過以上簡單易行的操作過程，證明可用單位時間周長與容積換熱系數(shù)平均值斤的協(xié)同關(guān)系表征換熱過程中的熱傳遞情況，即本發(fā)明的表征方法簡單易行，靈敏、快速、可靠、實時地表征了熱傳遞過程中的熱傳遞情況，上述各個工況的數(shù)據(jù)計算結(jié)果如表1所示。
[0009]表1各工況數(shù)據(jù)計算結(jié)果（t單位：s，^單位：kM / . K )
【權(quán)利要求】
1.一種基于計算同調(diào)群的流體流型行為與傳熱協(xié)同關(guān)系的表征方法，其特征在于具體步驟如下: (1)首先采用高速攝像機拍攝混合圖像的方式收集不同工況的同調(diào)群的流體流型行為的圖像，即從換熱混合開始時刻起連續(xù)拍攝8分鐘收集該工況的6000幅混合圖像； (2)在matlab環(huán)境下，將步驟(I)收集到每一張不同工況的同調(diào)群的流體流型行為的圖像采用數(shù)字圖像處理技術(shù)計算氣泡群邊緣周長，具體為: ①首先將每一個工況中的所有圖像采用matlab函數(shù)imread讀進matlab中； ②依次選取步驟①中的每一個工況中的每一張圖像，然后采用matlab函數(shù)im2bw作二值化處理； ③將經(jīng)二值化處理后的圖像采用matlab函數(shù)imerode對其做腐蝕處理； ④將經(jīng)腐蝕處理后的圖像采用matlab函數(shù)imdilate對其做膨脹處理； ⑤最后將膨脹處理的圖像運用函數(shù)reg1nprops(L{i}，’ Perimeter’)計算每一幅膨脹圖像中每一個氣泡的邊緣周長并加總，即獲得每一幅圖像的氣泡群邊緣周長； ⑥將其余工況的圖像按照步驟①至④進行處理，獲得所采集的所有圖像的每一張圖像的氣泡群邊緣周長； (3)將每一個工況的所有氣泡群邊緣周長按照matlab函數(shù)plot按照時間序列點擬合出相對應(yīng)該工況的曲線圖，通過該曲線圖穩(wěn)定狀態(tài)獲得該工況的穩(wěn)定狀態(tài)時間I,其單位為:S，同時通過matlab的數(shù)據(jù)分析得到每一個工況的平均氣泡群邊緣周長己，然后通過平均氣泡群邊緣周長除以穩(wěn)定狀態(tài)時間得到單位時間周長，即單位時間周長=C/I (4)采用步驟(3)中的氣泡群邊緣單位時間周長與同調(diào)群流體流型行為的容積換熱系數(shù)的平均值沉的協(xié)同關(guān)系表征換熱過程中的熱傳遞情況，通過步驟(3)獲得不同工區(qū)的單位時間周長，比較不同工區(qū)的單位時間周長值的大小后，將單位時間周長值最大值工區(qū)的換熱條件應(yīng)用于生產(chǎn)過程中。
2.如權(quán)利要求1所述的基于計算同調(diào)群的流體流型行為與傳熱協(xié)同關(guān)系的表征方法，其特征在于:所述容積換熱系數(shù)的平均值瓦為8分鐘內(nèi)容積換熱系數(shù)的平均值。
【文檔編號】G06F19/00GK104036122SQ201410229899
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年5月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月28日
【發(fā)明者】徐建新, 蘇俞真, 桑秀麗, 王 華, 黃俊偉, 王仕博, 王輝濤 申請人:昆明理工大學(xué)