陳翠玲，馬夢(mèng)祥，于 洋，楊浩楠，孔 禹

華北電力大學(xué)，河北 保定 071003

基于圖像法噴動(dòng)床內(nèi)空隙率研究

陳翠玲，馬夢(mèng)祥，于 洋，楊浩楠，孔 禹

華北電力大學(xué)，河北 保定 071003

利用圖像二值化方法處理圖片，并采用Matlab編程實(shí)現(xiàn)空隙率的測(cè)量，從微觀層次分析空隙率對(duì)噴動(dòng)流化床內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)的影響。研究了顆粒粒徑、噴口數(shù)量和表觀氣速對(duì)空隙率分布的影響。結(jié)果表明，增大表觀氣速使床層底部的稀相區(qū)增大，床層膨脹高度增加，空隙率也隨之增加。增大顆粒粒徑會(huì)增大最小臨界流化速率，所以在其達(dá)到流化狀態(tài)后流化床內(nèi)顆粒粒徑增大，床內(nèi)噴動(dòng)區(qū)空隙率減小比較明顯。在相同條件下，與單噴口相比雙噴口在床層底部附近存在合并射流，同時(shí)顆粒能到達(dá)的高度顯著增加，底部?jī)蓚?cè)停滯區(qū)面積減小。結(jié)合對(duì)空隙率的分析，提出一種新的表征流化床內(nèi)流化狀態(tài)的參數(shù)（流化指數(shù)），可以直觀地表示流化床內(nèi)顆粒的流化狀態(tài)。

空隙率 噴動(dòng)床 流化指數(shù) 二值化

氣固兩相流流動(dòng)過(guò)程中包括氣相、固相以及氣-固界面間的運(yùn)動(dòng)，因此，描述氣固兩相流的參數(shù)較多，如空隙率、密度、相對(duì)密度、流速、粒徑分布和氣泡尺寸等。在氣固兩相流中，氣體穿過(guò)顆粒時(shí)的傳熱、傳質(zhì)、流速及壓降等均受空隙率的影響。Rieck等[1]研究了流化床內(nèi)空隙率對(duì)顆粒涂層干燥的影響，重點(diǎn)分析了空隙率和干燥條件之間的關(guān)系。韓宗捷[2]從空隙率結(jié)構(gòu)方面研究了顆粒團(tuán)聚物的微觀結(jié)構(gòu)，從空隙結(jié)構(gòu)來(lái)分析團(tuán)聚物空隙率的變化。陳樹(shù)軍等[3]研究了流化床內(nèi)空隙率大小的分布，發(fā)現(xiàn)了空隙率的大小對(duì)吸附罐出口處的甲烷物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)有較大的影響。雖然科研工作者對(duì)流化床的空隙率做了大量的研究[4-6]，但對(duì)空隙率的定量分析鮮有報(bào)道。

空隙率的測(cè)量方法很多，主流方法有圖像法、電學(xué)法和光學(xué)法等。貢益明等[7,8]采用電容層析成像法對(duì)空隙率測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了空隙率測(cè)量方面的實(shí)時(shí)性和高測(cè)量精度，但電容層析成像法主要用于氣液兩相流空隙率測(cè)量。由于圖像法的直觀性和無(wú)干擾性等優(yōu)點(diǎn)，已有部分學(xué)者將其應(yīng)用到流化床內(nèi)空隙率的研究領(lǐng)域。周云龍等[9,10]采用數(shù)字圖像處理技術(shù)檢測(cè)流化床內(nèi)空隙率分布。趙永志等[11]利用圖像二值化和數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)理論求取圖像的邊界特征，取得了較好的效果。孫少林等[12]對(duì)幾種常用的二值化方法進(jìn)行仿真研究，闡明了各種算法的優(yōu)缺點(diǎn)。付玉虎等[13]將二值化方法對(duì)指紋圖像進(jìn)行預(yù)處理，精確度達(dá)到指紋識(shí)別系統(tǒng)的要求。

為了獲得噴動(dòng)床內(nèi)空隙率，首先對(duì)所拍攝實(shí)驗(yàn)圖片進(jìn)行不均勻光照糾正，再利用圖像法根據(jù)圖片內(nèi)像素的不同識(shí)別顆粒和背景，采用最大類間方差法來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像的二值化。最大類間方差法是由日本學(xué)者大津于1979年提出的，是一種自適應(yīng)的閾值確定的方法。它是按圖像的灰度特性，將圖像分成背景和目標(biāo)兩部分。背景和目標(biāo)之間的類間方差越大，使類間方差最大的分割意味著錯(cuò)分概率最小。因此，本工作利用圖像二值化方法處理圖片，并采用 Matlab編程實(shí)現(xiàn)空隙率的測(cè)量，詳細(xì)地研究了噴動(dòng)床內(nèi)空隙率的分布情況。

1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象及參數(shù)

所搭建的噴動(dòng)床冷態(tài)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括噴動(dòng)床本體、空氣壓縮機(jī)、穩(wěn)壓裝置、流量計(jì)、高速攝像機(jī)和計(jì)算機(jī)等。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的噴動(dòng)床本體為準(zhǔn)二維矩形噴動(dòng)床，材質(zhì)為高透明的亞克力板。其中，進(jìn)風(fēng)口直徑與管徑相同，均為10 mm，在噴動(dòng)床底座上安裝幾個(gè)螺栓固定在黑色的支架上，防止實(shí)驗(yàn)過(guò)程中床體的晃動(dòng)，在噴口處設(shè)置有過(guò)濾網(wǎng)保證顆粒不會(huì)掉落。制作好的單噴口和雙噴口噴動(dòng)床尺寸一致，具體尺寸均為150 mm×16 mm×900 mm。其中，單噴口噴動(dòng)床的噴口設(shè)置在床底面70～80 mm處；雙噴口噴動(dòng)床的噴口設(shè)置在30～40 mm和110～120 mm處。實(shí)驗(yàn)采用250幀高速連拍，圖片分辨率高達(dá)1 280×800像素。為了保證拍攝圖片的質(zhì)量，光源采用功率為1 000 W的攝像專用燈。實(shí)驗(yàn)相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)相關(guān)參數(shù)Table 1 Physical parameters and their values

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始將顆粒從床體頂部注入床內(nèi)，顆粒在床內(nèi)自由下落，待自然堆積一定高度作為初始狀態(tài)。通過(guò)拍得的圖像分析噴動(dòng)床內(nèi)顆粒的流動(dòng)特性。通過(guò)高速攝像相機(jī)瞬間捕捉顆粒的位置，利用一系列的圖像處理方法，在Matlab圖像處理模塊中得到清晰的二值化顆粒圖像，計(jì)算出空隙率在床內(nèi)的分布。

2 結(jié)果與討論

2.1 空隙率處理結(jié)果驗(yàn)證

空隙率理論值計(jì)算：

式中：?為未噴入氣體之前全床內(nèi)平均空隙率理論值；N為噴動(dòng)床內(nèi)總顆粒數(shù)，數(shù)值為12 000；Vn為單個(gè)顆粒體積；V為噴動(dòng)床體積。計(jì)算可得?為0.851。

利用圖像法處理后的空隙率：

式中：ε′為流化狀態(tài)下隨機(jī)選擇某一個(gè)時(shí)刻，通過(guò)圖像法處理得到的全床內(nèi)平均空隙率；np為床內(nèi)劃分網(wǎng)格數(shù)；εp為單個(gè)網(wǎng)格內(nèi)空隙率。計(jì)算得到ε′為0.838，與?的相對(duì)誤差為3.9%，說(shuō)明本工作利用圖像法處理計(jì)算空隙率可靠。

2.2 空隙率在流化床內(nèi)分布

圖1和2是時(shí)間為1 s、床層高度為0.1 m時(shí)，單噴口不同風(fēng)速下徑向網(wǎng)絡(luò)標(biāo)記和空隙率沿床寬方向的分布。從整體趨勢(shì)來(lái)看，空隙率隨風(fēng)速的增加而增大，在床層中心軸線位置（圖2橫坐標(biāo)0.075 m）空隙率達(dá)到最大。由于氣流的走向不可能嚴(yán)格按照垂直向上的運(yùn)動(dòng)，所以從微觀層次對(duì)空隙率進(jìn)行定量分析，從圖1可以很清晰地看出，徑向空隙率的最大值出現(xiàn)的位置。在噴動(dòng)區(qū)氣流的卷吸以及壁面和顆粒的約束作用引起兩側(cè)壁面出現(xiàn)向下流動(dòng)和交錯(cuò)的漩渦，導(dǎo)致噴動(dòng)氣流左右擺動(dòng)，使得空隙率沿床寬方向的不對(duì)稱分布。因此，徑向最大空隙率出現(xiàn)的位置會(huì)有所不同。觀察圖1還可以發(fā)現(xiàn)，膨脹床高隨表觀氣速的增大而增高，這也導(dǎo)致全床存在顆粒的網(wǎng)格隨表觀氣速的增大而增多，這與圖2結(jié)果一致。

圖1 單噴口不同風(fēng)速下床高為0.1 m時(shí)徑向網(wǎng)格標(biāo)記Fig.1 Radial grid markings for a single jet spouted bed at the height of 0.1 m at different wind speeds

圖2 單噴口不同風(fēng)速下床高空隙率沿徑向的分布Fig.2 The distribution of porosity in the radial direction at different wind speeds in a single jet spouted bed

圖3和4是時(shí)間為1 s、床層高度為0.1 m時(shí)，雙噴口不同風(fēng)速下徑向網(wǎng)絡(luò)標(biāo)記和空隙率沿床寬方向的分布。隨著風(fēng)速的增加，噴動(dòng)區(qū)空隙率顯著增大。主要原因：一是較大的噴動(dòng)速率使射流深度增加，稀相區(qū)上移；二是噴動(dòng)氣速的增大，在相同的床寬和靜床高下，兩股射流在噴動(dòng)區(qū)的合并頻率變快。從圖4可以看出，當(dāng)表觀氣速為1.65 m/s時(shí)，未達(dá)到最小流化速率，空隙率整體偏小。當(dāng)表觀氣速為1.76 m/s時(shí)，相對(duì)于其他幾個(gè)風(fēng)速下空隙率沿床寬方向變化不大，這是因?yàn)閮晒缮淞髟诖藚^(qū)域內(nèi)交叉合并，兩股射流間相互引射作用增強(qiáng)，此區(qū)域內(nèi)顆粒上下運(yùn)動(dòng)速率加快，所以在該床高下的網(wǎng)格空隙率沿床寬方向較大且分布均勻。隨著風(fēng)速的增大，噴動(dòng)床內(nèi)噴動(dòng)區(qū)擴(kuò)大，這是由于噴動(dòng)氣速的增加會(huì)導(dǎo)致噴動(dòng)區(qū)氣速與環(huán)核流動(dòng)區(qū)表觀氣速差變大，而卷吸進(jìn)入噴動(dòng)區(qū)的顆粒量受速率差影響，故噴動(dòng)區(qū)域擴(kuò)大，空隙率整體水平上增加。從圖4還可以看出，較低風(fēng)速時(shí)，當(dāng)床高低于0.1 m兩射流都存在，隨著風(fēng)速的增加合并射流的高度降低，從圖3中可以看出，當(dāng)表觀氣速為1.86 m/s時(shí)，在床高為0.02 m形成了合并射流。風(fēng)速增大導(dǎo)致氣固間的相互作用力增強(qiáng)，使得氣泡通過(guò)頻率增加，從而反映為空隙率的增大。

圖3 雙噴口不同風(fēng)速下床高為0.1 m時(shí)徑向網(wǎng)格標(biāo)記Fig.3 Radial grid markings for a double jets spouted bed at the height of 0.1 m at different wind speeds

圖4 不同風(fēng)速下雙噴口噴動(dòng)床空隙率沿徑向的分布Fig.4 The distribution of porosity in the radial direction at different wind speeds in a double jets spouted bed

單噴口和雙噴口近壁面處，床高為0.03 m時(shí)，單個(gè)網(wǎng)格內(nèi)空隙率隨時(shí)間的變化情況見(jiàn)圖5。由圖可知，在靠近壁面流化床底部區(qū)域的停滯區(qū)內(nèi)該網(wǎng)格內(nèi)空隙率大小基本不隨時(shí)間變化，噴動(dòng)床為雙噴口時(shí)，空隙率的整體大小大于單噴口，這是由于雙噴口噴動(dòng)床內(nèi)該網(wǎng)格距離噴口位置較近，受噴動(dòng)速率的影響較大，空隙率也會(huì)隨之增大。

圖5 近壁處單個(gè)網(wǎng)格內(nèi)空隙率隨時(shí)間的分布Fig.5 Distribution of porosity with time in a single grid near the wall

圖6 噴動(dòng)床中心區(qū)域沿床高方向空隙率的變化Fig.6 The change of porosity in the center of the spouted bed

單噴口和雙噴口噴動(dòng)床在t為1 s，表觀氣速為1.82 m/s時(shí)，在噴動(dòng)床中心軸線處沿床高方向空隙率的變化情況見(jiàn)圖6。從圖中可以看出，相同表觀氣速下，單噴口噴動(dòng)床的膨脹床高（0.285 m）小于雙噴口噴動(dòng)床的膨脹床高（0.490 m）。這是因?yàn)殡p噴口的噴動(dòng)射流更加均勻，參與運(yùn)動(dòng)的顆粒增多。單噴口空隙率隨床高先減小后增大，這是因?yàn)樗x位置為噴口所在的床軸線區(qū)域，氣體由噴口進(jìn)入流化床底部，空隙率接近1，隨著床高的增加由于顆粒的卷吸作用顆粒進(jìn)入該區(qū)域，所以空隙率會(huì)先降低。雙噴口噴動(dòng)床軸線區(qū)域空隙率由于床內(nèi)流動(dòng)的不穩(wěn)定性呈現(xiàn)比較強(qiáng)的波動(dòng)現(xiàn)象。床軸線區(qū)域底部位置的空隙率接近最小流化速率下的空隙率，這是因?yàn)樵搮^(qū)域?yàn)閮缮淞鏖g的密相區(qū)幾乎看不到顆粒的運(yùn)動(dòng)。從圖中看出，在雙噴口噴動(dòng)床床高為0.12 m左右，空隙率有一個(gè)很明顯的增大，這是因?yàn)樵谠搮^(qū)域?yàn)樯淞骱喜^(qū)，即兩股射流在該區(qū)域交叉合并，氣固間的相互作用增強(qiáng)，在該區(qū)域的空隙率會(huì)明顯增大。

2.3 流化指數(shù)分布

流化指數(shù)（If）的大小表征流化床內(nèi)的流化狀態(tài)，流化指數(shù)為0時(shí)，床內(nèi)顆粒不參與運(yùn)動(dòng)；數(shù)值越大，顆粒運(yùn)動(dòng)越劇烈，流化指數(shù)為1時(shí)，達(dá)到完全的流化狀態(tài)；一般情況下，流化指數(shù)會(huì)在一個(gè)動(dòng)態(tài)區(qū)域值內(nèi)，此時(shí)床內(nèi)處于相對(duì)穩(wěn)定的流化過(guò)程。根據(jù)文獻(xiàn)[14]計(jì)算 If，針對(duì)已有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)：

式中：np為噴動(dòng)床內(nèi)劃分網(wǎng)格數(shù)；εp和εp0為該網(wǎng)格當(dāng)前時(shí)刻和初始時(shí)刻的空隙率。

首先進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，采用2.5倍和3.75倍直徑大小的正方形網(wǎng)格。表觀氣速為1.82 m/s時(shí)，不同網(wǎng)格尺寸下流化指數(shù)的分布情況見(jiàn)圖7。由圖7中的局部放大區(qū)域可以看出，不同網(wǎng)格尺寸下達(dá)到流化態(tài)所需的時(shí)間一致，而且兩種網(wǎng)格下流化指數(shù)的大小波動(dòng)趨勢(shì)相同，由此說(shuō)明不同大小的網(wǎng)格對(duì)流化指數(shù)影響較小。圖8是單噴口不同風(fēng)速下流化指數(shù)分布。從圖中可以看出，隨著表觀氣速的增加，達(dá)到流化狀態(tài)的時(shí)間縮短，流化指數(shù)的均值增大。這是因?yàn)樵龃蟊碛^氣速使得氣體的穿透能力增強(qiáng)，中心噴射區(qū)的卷吸氣體的能力隨之增強(qiáng)，顆粒所受氣體的曳力增大。因此，隨著表觀氣速增大流化指數(shù)也增加。

圖7 不同網(wǎng)格大小下流化指數(shù)隨時(shí)間分布Fig.7 Distribution of fluidization index with time at different grid sizes

圖8 不同風(fēng)速下流化指數(shù)隨時(shí)間分布Fig.8 Distribution of fluidization index with time at different wind speeds

圖9為風(fēng)速在1.82 m/s時(shí)，不同粒徑下流化指數(shù)隨時(shí)間變化的分布情況。由圖可知，粒徑5 mm的顆粒相對(duì)于粒徑為4 mm的顆粒，其流動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)相對(duì)較為緩慢，未達(dá)到流化狀態(tài)。這是因?yàn)橄嗤芏认?，粒徑大的顆粒所受重力增大，最小流化速率也會(huì)隨之增加，所以粒徑為5 mm時(shí)的最小流化速率大于1.82 m/s。圖10為表觀氣速1.91 m/s時(shí)不同粒徑的流化指數(shù)分布。由圖可知，流化床內(nèi)達(dá)到流化狀態(tài)以后顆粒粒徑對(duì)流化指數(shù)大小沒(méi)有影響。在相同表觀氣速條件下，大粒徑顆粒達(dá)到流化狀態(tài)所需的時(shí)間晚于小粒徑。這主要因?yàn)榇罅降念w粒質(zhì)量大，導(dǎo)致顆粒向上的加速度相對(duì)較小，顆粒速率增加較緩慢，所以達(dá)到流化狀態(tài)的時(shí)間會(huì)滯后于小顆粒。

圖9 不同粒徑下流化指數(shù)隨時(shí)間變化分布Fig.9 Distribution of fluidization index with time at different partide sizes at superficial gas velocity of 1.82 m/s

圖10 不同粒徑下流化指數(shù)隨時(shí)間變化分布Fig.10 Distribution of fluidization index with time at different partide sizes at superficial gas velocity of 1.91 m/s

3 結(jié) 論

a）在流化床內(nèi)空隙率表現(xiàn)為時(shí)間和空間上的不均勻性?？障堵恃貒妱?dòng)床徑向分布表現(xiàn)為中心區(qū)域較大，越靠近壁面空隙率越小，到達(dá)壁面區(qū)域時(shí)空隙率達(dá)到最小，隨著床層高度的增加噴動(dòng)床內(nèi)空隙沿徑向分布更加不均勻。將圖像二值法應(yīng)用到流化床實(shí)驗(yàn)圖片的處理，具有較強(qiáng)的實(shí)用性，不僅操作簡(jiǎn)單而且準(zhǔn)確度較高，實(shí)現(xiàn)了對(duì)噴動(dòng)床內(nèi)空隙率的定量分析。增大噴動(dòng)氣速，床層的膨脹高度增加，空隙率也隨之增大。在相同條件下，雙噴口內(nèi)空隙率的分布優(yōu)于單噴口，床層均勻性好。

b）流化指數(shù)是依據(jù)網(wǎng)格內(nèi)空隙率大小得到的，用來(lái)表征床內(nèi)流化狀態(tài)的指數(shù)，是對(duì)空隙率分布的進(jìn)一步分析和研究，隨著噴動(dòng)氣速的增加，流化指數(shù)達(dá)到動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的時(shí)間提前，所以通過(guò)流化指數(shù)隨時(shí)間的分布可以清晰地判斷出流化床內(nèi)的流化狀態(tài)，可以更加清晰地了解流化床內(nèi)的流化特性。

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Study on Porosity in Spouted Fluidized Bed Based on the Digital Image Analysis Method

Chen Cuiling, Ma Mengxiang, Yu Yang, Yang Haonan, Kong Yu
North China Electric Power University, Baoding 071003, China

The image binarization method was used to process the picture and the measurement of porosity was realized by Matlab programming.The effect of the porosity on the flow state in the spouted fluidized bed was analyzed from the micro perspective.The effects of particle size, nozzle number and superficial gas velocity on the porosity distribution were studied.The results showed that the dilute phase area at the bottom of the bed increased with the increase of the apparent gas velocity.Furthermore, the height of bed and porosity also increased.The minimum critical fluidization rate would increase with the increase of particle size, therefore, the particle size of the fluidized bed increased when it reached the fluidized state, and the porosity of the spouted zone decreased significantly.Under the same conditions, compared with the single nozzle, the double nozzle had a combined jet near the bottom of the bed, the height which the particles could reach significantly increased, and the dead zone on both sides of the bottom decreased.Based on the analysis of porosity, a new parameter, fluidization index was proposed, to characterize the fluidization state in a fluidized bed, and could visually represent the fluidization state of the particles in the fluidized bed.

porosity; spouted bed; fluidization index; binarization

TQ015.9

A

1001—7631 ( 2017 ) 04—0343—06

10.11730/j.issn.1001-7631.2017.04.0343.06

2017-07-03；

2017-08-07。

陳翠玲（1989—），女，碩士研究生，通訊聯(lián)系人。E-mail: 18330299289@163.com。