PIV技术应用于气液两相流的研究现状

苏 莹

（东北石油大学石油工程学院，黑龙江大庆 163000）

PIV技术应用于气液两相流的研究现状

苏 莹

（东北石油大学石油工程学院，黑龙江大庆 163000）

PIV粒子图像测速技术是一种瞬态、全场量测技术，广泛地应用于各种复杂的流动。PIV气液两相流测量技术比单相PIV技术复杂，目前PIV两相流技术的发展还在起步阶段。针对PIV气液测量中相分离以及两相粒子成像问题进行了讨论，并提出相应解决方法。

PIV；气液两相；相分离；两相粒子成像

PIV粒子图像测速技术主要是通过在流场中放入示踪粒子，用粒子速度来表示流场中对应位置的流体速度。PIV 粒子图像测速技术能够测出流场的物理形态，也可以提供流场流动的瞬态定量信息，对流动流场的研究起到了关键性作用。单相PIV测量技术已接近成熟，广泛地应用于各种复杂的流动，PIV气液两相流测量技术比单相PIV技术复杂，PIV两相流技术的发展还在起步阶段，本文针对PIV气液测量中相分离以及两相粒子成像问题进行了讨论，并提出相应解决方法。

1 区分不同相的粒子图像以及相分离方法

气液两相流 PIV 测量技术难点是如何把不同相的粒子图像区别出来[1]。这就要求不仅要测量出同一相粒子在一定时间段内的位移，还要把不同相的粒子分离开来。在PIV实验中，不同相的粒子信息同时存在于同一个图像中，因为离散相和连续相的运动差别较大，离散相的四周会存在伪矢量。这时得到的速度会受到两种相信号的影响[2]。

1.1 荧光标记法

在气泡流动中主要使用荧光标记法，该方法是用荧光粒子标记液相粒子，在激光照射时，荧光粒子反射出和激光不同颜色的光，而气相粒子发射的光颜色与原来相同，从而根据颜色不同来完成气液分离。气液两相分离后，应用单相 PIV测速技术分别测得气液两相的流速场。世界上著名的 PIV 设备生产公司丹麦的Dantec和美国的TSI公司都使用了荧光标记法完成了气泡流动的测量[3]。

1.2 亮度分辨法

该方法根据离散相气相粒子和连续相示踪粒子的成像灰度级的不同完成两相分离。为了避免两相的互相干扰，连续相示踪粒子的最大散射横断面必须比离散相粒子的散射横断面大一个数量级。在选择了合理的示踪粒子情况下，该技术也必须经过耐心的调整优化成像，从而消除相间的干扰，使两相粒子的灰度级差达到最大。气液两相分离后，应用单相PIV测速技术分别测得气液两相的流速场[4]。

1.3 粒径分辨法

该方法根据离散相气相粒子和连续相示踪粒子之间颗粒大小的不同来完成相分离。采用该方法时，要求先对原始 PIV图像做二值化处理，让连续相示踪粒子及离散相变成白色的亮点（区域），然后从图像中分离出来，通过算出这些亮点区域的面积，选择一个合适的阈值把代表不同相的粒子分离出来。所以该方法要求相间粒子的粒径差别要尽量大，以便减少误判断点，气液两相分离后，应用单相 PIV测速技术分别测得气液两相的流速场[5]。

1.4 中值滤波法

针对两相PIV既有连续相图像又有离散相图像的情况，既包含有小的连续相示踪粒子又有大的离散相颗粒（或气泡），Kiger等[6]采用二维中值滤波非线性信号处理技术，它可以很好地除去随机噪声。Kiger将示踪粒子视为背景上均匀分布的噪声，利用中值滤波方法将分散相颗粒的图像从示踪粒子的图像中分离，滤波后得到离散相图像。原始图像除去离散相图像得到连续相的图像。应用单相 PIV测速技术分别测得气液两相的流速场。

1.5 双参数相分离法

双参数相分离法利用粒子的亮度和尺寸两个参数信息来完成相分离[7]。该方法要求先计算示踪粒子以及离散相粒子的亮度和尺寸，把亮度和尺寸作为纵横坐标，制作亮度-尺寸图，根据亮度-尺寸图分别判断连续相和离散相的置信区间（亮度和尺寸的范围），此置信区间把所有粒子分成连续相和离散相颗粒两类，分离后进行求解每相的速度。此方法在已知球形粒子尺寸范围的条件下，在气固两相流的流场中可以得到较好的效果。但由于气泡在成像时不是一个实体，所以此方法对气液两相流不一定获得很好的效果。

2 两相粒子的成像问题

2.1 示踪粒子的光学性能

若标记两相粒子的示踪粒子光学性能大致相同，可以依据粒子直径的大小区分两相粒子。但是如果标记两相粒子光学性能不同，也可依据灰度来区别两相的粒子。若反光强度差距大，则区分粒子较容易。但如果差距太大，就无法在同一个光学条件下取像，造成其中一相粒子取像清晰，另外一相粒子取像模糊的情况，这时就要利用特殊的光学镜头进行处理调试，分别取像后再合成在一起。

2.2 示踪粒子的密度

由于两相粒子密度不同，在水平取像时，密度大的粒子会跑出片光的照射范围，因此会导致示踪粒子的相关点无法找到，所以在两相测量时在重力方向上更容易取像。

2.3 示踪粒子的浓度

在两相PIV试验中，还要考虑粒子的浓度问题。浓度较大或者较小都会对测量造成影响。在浓度较大时，粒子像会堆积在一起，激光作为干涉光，因此在底片上会出现激光散斑却不是独立粒子像。即使利用激光散斑能够测出散斑场的位移，可是对于流场来说，因为散斑场的稳定性问题，很难测出散斑场位移。在粒子浓度较低时，由于粒子对的数目较少，导致无法得到较多点的流速，也就无法准确测出流速分布。

3 结束语本文提出了 PIV气液两相流测量技术中存在的问题，对区分不同相的粒子图像以及相分离方法和两相粒子的成像问题做出了分析，给出了各种相分离方法的优点及不足，为PIV气液两相流测量在相分离和两相粒子的成像问题方面提供了建议。

[1] Oakley T R，Loth E，Adrian R J.A Two-Phase Cinematic PIV Method for Bubbly Flows[J].Journal of Fluids Engineering，1997，（119）：707-712.

[2] Wolfgang Merzkirch，Lichuan gui.PIV in multiphase flow[A]. Proceedings of the second international workshop on PIV97-Fukui，July 8-11，Fukui，Japan.165-172.

[3] Tokuhiro A，Maekawa M，Iizuka K，Hishida K，Maeda M.Turbulent flow past a bubble and an ellipsoid using shadow image and PIV techniques[J].International Journal of Multiphase Flow，1998，（24）：1383-1406.

[4] Esson W J and Jakobsen M L.Slippage measurements in two-phase flows using particle image Velocimetry[A].Institute of Physics Optical Group Half Day Conference Optics and Optical Diagnostics in Combustion（London），February 1996.

[5] 王希麟，张大力，常辙，等.两相流场粒子成像测速技术（PTV-PIV）初探[J].力学学报，1998，30（1）：121-125.

[6] Kiger K T and Pan C.PIV technique for the simulataneous measurement of dilute two-phase flows[J].Journal of Fluids Engineering，2000，（122）：811-818.

[7] Khalitov D A，Longmire E K.Simultaneous two-phase PIV by twoparameter phase discrimination[J].Experiments in fluids，2002，（32）：252-268.

Research Advances of PIV in GasLiquid Phase Flow

Su Ying

PIV particle image velocimetry is a transient and full field measurement technology，widely used in all kinds of complex PIV flow，gas-liquid two-phase flow measurement technology is more complex than the single-phase PIV technology，the development of the PIV two-phase flow technology is still in the initial stage，the PIV in the measurement of phase separation and gas-liquid twophase particle image are discussed and put forward the corresponding solutions.

PIV；gas liquid two phase flow；phase separation；two-phase particle imaging

O359.1

B

1003–6490（2017）05–0028–02

2017–04–06

苏莹（1993—），女，黑龙江绥化人，硕士在读，主要研究方向为油气储运工程。