基于图像识别方法的蛤壳状液滴受横向气流影响下的动力学分析.pdfVIP

摘要

悬挂于纤维上的液滴受到外部气流作用震荡或脱落是受力复杂的三相流体现象。通过施

加气流使得固液分离的应用不仅仅体现在过滤器中的分离滤网及燃料电池的气体扩散层中，

其对于干旱地区储水技术提升具有特别的意义。由此，本研究基于图像识别方法对于悬挂于

纤维上蛤壳液滴在受到横向气流影响下的动力特性展开研究分析。

本文在气液领域研究的基础上，选择较容易受到气流影响的蛤壳液滴作为研究对象，基

于工业背景选择横流作用于液滴的情况。设计并搭建了光学试验系统，建立液滴的动力学模

型，基于图像识别方法获得液滴的几何特征并总结液滴的运动规律，结合无量纲数深入分析

液滴的动力学特性。本文的主要研究内容如下：

（1）设计并搭建了光学试验系统以捕获液滴受气流影响下的运动状态。该试验系统确

保吹向液滴的气流为层流状态且成分纯净，并实现不同流速的气流控制。同时该系统对于液

滴的运动状态进行实时捕捉。对于无法在试验过程中直接获取的参数数据，本研究对于试验

装置进行标定试验以获取数学关系。为了深入分析外部条件对液滴的影响因素，本研究设计

了不同的纤维直径、液滴表面张力系数与气流速度并进行对照试验。

（2）对于液滴时序图像进行二值化处理后通过轮廓识别获取到液滴以及纤维的轮廓参

考点坐标。基于液滴的轮廓参考点获取其几何中心位置坐标，并建立随液滴动坐标系获取液

滴的特征尺寸。

（3）建立了液滴的动力学模型。通过数值积分方法重构液滴的三维模型，获取各分区

的液滴的表面积与质量。基于液滴的运动特征与外部影响因素，构建了液滴的动力学方程与

能量方程。对于已有的液滴的受力模型进行介绍并指出其不足，并基于液滴的能量变化提出

液滴的动态受力模型。最后通过试验方法验证了液滴三维模型的精确性，其误差范围在

0.8%~11.6%之间。

（4）基于液滴相对于纤维轴的角位移与液滴自身径向伸缩程度，研究发现悬挂于纤维

上的蛤壳液滴在受到横向气流摆荡作用时的运动主要由绕纤维的摆荡与沿自身径向的伸缩组

成。液滴在气流拖曳下存在两种运动模式，一种以绕纤维摆动为主，另一种以沿液滴径向振

动为主。同时，本研究对于液滴角位移与径向伸缩程度进行了快速傅里叶变化以分析其固有

频率及其影响因素。最后通过液滴的韦伯数分析了液滴角位移与径向伸缩随着气流速度的变

化关系，研究发现随着气流速度的增加液滴的角位移增加速度逐渐降低，而液滴的径向伸缩

则会逐渐剧烈。

（5）基于动力学模型，研究发现液滴的表面能变化是液滴的能量变化的主要影响因素，

进而确定液滴的表面变形是液滴运动的主要原因。基于液滴的动态受力模型对液滴的外部受

力展开研究分析。对于表面张力较大的液滴其内部受力主要沿气流方向，而对于表面张力较

小的液滴其在径向方向上的受力不容小觑。结合液滴的韦伯数发现随着气流速度的增加，液

滴更容易受到较大的气流拖曳力作用，且拖曳力波动幅值增加。

（6）在液滴围绕纤维摆动过程中，液滴表面张力表现为阻碍液滴运动的阻尼力。液滴

表面在气流速度较快的情况下无法完全缓冲气流作用，其受到的气流拖曳力增加速度逐渐降

低，液滴的径向伸缩更为剧烈。最后，驱动弯矩和角位移随表面张力的变化规律表明，表面

张力对平均阻尼弯矩的影响随表面张力系数和纤维直径的增加而增大。

关键词：蛤壳液滴，横向气流，运动特征，表面能，气流拖曳力

Abstract

Itisacomplexphenomenonthatthedropletssuspendedonthefiberareoscillatedordropped

offbytheexternalairflow.Theapplicationofsolid-liquidseparationbyapplyingairflowisnot

onlyreflectedingas-liquidseparationfilterandthegasdiffusionlayerofthefuelcell,butitisof

specialsignificancefortheimprovementofwaterstoragetechnologyinaridareas.Therefore,based

ontheimagerecogni