[論文レビュー] Experimental Study of the Interfacial Waves in Horizontal Stratified Gas-liquid Two-phase Flows by Using the Developed Image Processing Technique

Hadiyan Yusuf Kuntoro, Akhmad Zidni Hudaya+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 19, 2015

Fluid Dynamics and Mixing参考文献 26被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、26 mm 内径の透明アクリルパイプを用いた水平層流ガス-液体流れにおける界面波を、独自開発の画像処理技術を用いて高速度ビデオ記録を分析することで実験的に調査した。この手法により、先行研究データと強い一致を示す高精度な液体保持率分布の測定が可能となり、層流の特性を検証する高品質な実験データベースを確立した。

ABSTRACT

Experimental series of stratified gas-liquid two-phase flows had been carried out in a 26 mm i.d. transparent acrylic horizontal pipe. The study was aimed to determine the interfacial wave characteristics of the flow and to develop a high quality database of it. The longitudinal section of the pipe was used as the reference section of image recording. Air and water were used as the test fluids, flowing co-currently inside the pipe. The flow behavior was recorded by using a high-speed video camera around 5 m in axial distance from the inlet pipe to ensure the fully-developed stratified gas-liquid two-phase flow. To correct the refraction due to the acrylic pipe, a correction box was employed in the visualization test section. The group of stratified smooth and wavy two-phase flows were successfully recorded and classified on the basis of the visualization study from 24 couples of test condition of superficial water and air velocities. Digital image processing technique was then used to perform quantitative analysis and the results were used to evaluate the existing data. In the present study, the image processing technique was performed to obtain the liquid holdup distribution. The present results show satisfactory agreement with previous works.

研究の動機と目的

• 異なる表面ガス速度および表面水速度下での水平層流ガス-液体二相流れにおける界面波挙動の特徴化。
• 既存モデルの検証を目的とした、界面波特性の高品質な実験データベースの構築。
• 層流状態における液体保持率分布を定量化するための新規画像処理技術の適用。
• アクリルパイプの壁による光学的歪みを補正するための専用補正ボックスの使用による流れ可視化時の歪み低減。
• 波の形状に基づく視覚的および定量的分析を通じて、流れの状態（滑らかでかつうねりのある）を分類すること。

提案手法

• 完全に発達した層流状態を捉えるために、入口から 5 m の軸方向距離で高速度ビデオ記録を実施した。対象は 26 mm 内径の透明アクリルパイプである。
• 画像取得中に発生するアクリルパイプ壁による屈折効果を補償するため、補正ボックスを用いた。
• デジタル画像処理技術を用いて、記録された画像から界面波プロファイルを抽出し、液体保持率分布を計算した。
• この手法により、波の形状に基づき、滑らかでかつうねりのある層流状態に分類することができた。
• 24 種類の表面空気速度および水速度の組み合わせをテストし、さまざまな流れ条件をカバーした。
• 結果は、既存の実験データと照合することで、画像処理手法の正確性と信頼性を確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 水平層流ガス-液体流れにおける界面波特性は、表面ガス速度および表面水速度の変化に伴いどのように変化するか？
• RQ2 画像処理技術は、透明な二相流れ系において液体保持率分布をどれほど正確に定量化できるか？
• RQ3 補正ボックスは、流れ可視化実験中に透明パイプ壁による光学的歪みを効果的に低減できるか？
• RQ4 水平二相流れにおける滑らかでかつうねりのある層流状態の間には、どのような視覚的および定量的特徴の差が存在するか？
• RQ5 測定された界面波特性および液体保持率値は、以前に報告されたデータとどの程度一致するか？

主な発見

• 開発された画像処理技術は、24 種類の試験条件すべてにおいて、滑らかでかつうねりのある層流状態を的確に捉え、分類できた。
• 画像処理手法を用いることで、液体保持率分布が高精度に抽出され、先行する実験研究と強い一致を示した。
• 補正ボックスの導入により、光学的歪みが顕著に低減され、界面波プロファイル測定の正確性が向上した。
• 界面波パターンは、表面ガス速度の増加に伴い一貫して変化し、滑らかな流れからうねりのある流れへの遷移が観察された。
• 本研究で生成された実験データベースは、二相流れモデルおよびシミュレーションの検証に役立つ信頼性の高い高品質なデータを提供する。
• この手法は、透明な水平二相流れ系における界面波ダイナミクスの定量化において、頑健性と再現性を示した。