[论文解读] 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 3

一句话总结

本研究通过一种自定义的图像处理技术，实验研究了水平分层气-液流中的界面波，分析了透明26 mm内径有机玻璃管中高速摄像记录。该方法能够准确测量液相滞留分布，与先前数据高度一致，建立了高质量的分层流特性实验数据库。

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.

研究动机与目标

• 表征在不同表观气速和水速条件下，水平分层气-液两相流中界面波的行为特征。
• 建立用于现有模型验证的高质量界面波特性实验数据库。
• 应用一种新型图像处理技术，量化分层流中的液相滞留分布。
• 使用专用校正框校正有机玻璃管壁引起的光学畸变，以改善流动可视化效果。
• 基于波动力学的视觉与定量分析，对流型（平滑流与波状流）进行分类。

提出的方法

• 在距入口5 m轴向距离处进行高速摄像，以捕捉26 mm内径透明有机玻璃管中完全发展的分层流。
• 使用校正框补偿有机玻璃管壁引起的折射效应，以提高图像采集质量。
• 应用数字图像处理技术，从记录图像中提取界面波剖面并计算液相滞留分布。
• 该技术能够基于波形形态将流型分类为平滑和波状分层流。
• 测试了24种不同的表观气速与水速组合，以覆盖多种流动工况。
• 通过与现有实验数据对比，验证了图像处理方法的准确性和可靠性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在水平分层气-液流中，界面波特性如何随表观气速和水速的变化而变化？
• RQ2 图像处理技术在多大程度上能够精确量化透明两相流系统中的液相滞留分布？
• RQ3 校正框是否能有效减轻透明管道壁在流动可视化实验中引起的光学畸变？
• RQ4 在水平两相流中，平滑流与波状流分层流型在视觉与定量特征上有哪些显著区别？
• RQ5 测量得到的界面波特性与液相滞留值与先前报道的数据相比表现如何？

主要发现

• 所开发的图像处理技术在24种测试工况下成功捕捉并分类了平滑与波状分层流型。
• 通过图像处理方法准确提取了液相滞留分布，与以往实验研究结果高度一致。
• 校正框显著减少了光学畸变，提高了界面波剖面测量的准确性。
• 界面波形态被一致观察到随表观气速增加而演变，从平滑流过渡到波状流。
• 本研究生成的实验数据库为两相流模型与模拟的验证提供了可靠且高质量的数据支持。
• 该方法在量化透明水平两相流系统中界面波动力学方面表现出良好的鲁棒性与可重复性。