一种管道流动传质特性的测量方法和测量系统

1.本发明属于流体流动测量技术领域，尤其涉及一种管道流动传质特性的测量方法和测量系统。


背景技术：

2.在工业过程中，流动混合是一个十分重要的过程，从简单的单相混合、到复杂的多相混合反应系统，其中的反应速率、产率都高度依赖混合效果。混合不当的话，将浪费不可逆的加工条件，降低产品的质量，导致下游精加工工艺成本和废物处理成本的增加，还有可能管道因冷热不均匀造成管壁应力疲劳破裂导致事故发生。为了提高产出、降低成本和事故发生率，在反应过程中对流动传质特性的监控、测量流体的滞留时间、加快流体的输运和混合就显得尤为重要。使用可视化技术不仅可实时显示流场中各位置混合效果的差异，还可以直观反映混合过程随时间的变化规律。
3.依赖路径信息的动力学特征在广泛的流体尺度上发挥着重要作用，特别是在生物医学、环境和气象流动方面。粒子跟踪测速方法测量产生描述流体微团在空间和时间中的运动的迹线使其成为研究传输现象的理想方法。路径线包含了直接计算随体导数用于提取压力场或拉格朗日加速度)。长的迹线包含了示踪粒子经过感兴趣区域的整个流动过程情况，对于研究夹带和测量与路径相关的量(如粒子停留时间)是不可或缺的。
4.目前，传统的流动传质特性测量多采用激光诱导荧光技术(plif)实验方法，其原理是在流体中溶解特定分子结构的荧光染色剂，利用一定波长的激光照射流场测量区，被照射到的示踪剂激发出荧光信号，通过相机等设备接收到荧光信号后，从荧光的分布，可以探测样品粒子的种类，从荧光的强弱可以得知粒子的浓度以及温度，利用其空间分辨率可以测量粒子的空间浓度和温度分布。
5.plif方法适用于旁路射流与主流混合的情形，例如涡环的夹带、反应器及引擎燃烧的传质测量。然而管道流动为单一主流流动时，此时管道没有旁路，无法在旁路流动中加入荧光染色剂，故plif传质测量技术并不适用于单一主流管道流动。作为一个定量的可视化技术，plif测量系统复杂，不适合对大尺度范围内的混合过程进行全局测量。此外还有激光器发射波长单一，不同位置需和不同波长的激光器相配合，维护费用高等缺点。


技术实现要素：

6.针对以上技术问题，本发明公开了一种管道流动传质特性的测量方法和测量系统，能够测量出单一主流管道的传质特性。
7.对此，本发明采用的技术方案为：
8.一种管道流动传质特性的测量方法，包括如下步骤：
9.步骤s1，利用粒子跟踪测速方法ptv(particle tracking velocimetry，粒子追踪测速)获得示踪粒子轨迹信息，获得短迹线流场图；
10.步骤s2，采用流程图编译算法对所述短迹线流场图进行编码，进而获得涵盖目标
时间步长的全流程长迹线流场图；也就是使用迹线延伸算法将获得的原始拉格朗日数据进行扩展，获得延长后的示踪粒子轨迹信息；
11.步骤s3，根据延长后的示踪粒子轨迹信息包含的时间和位置信息对示踪粒子进行分类；
12.步骤s4，利用全流程长迹线流场图，根据式(1)计算每条迹线示踪粒子的停留时间prt，
13.prt＝t
n-t
0 (1)，
14.其中，tn为示踪粒子离开测量区域的时间，t0为进入测量区域的时间；
15.根据轨迹分类里每一类轨迹路径的示踪粒子停留时间，计算出每一时刻示踪粒子prt的大小和位置分布，获得该示踪粒子的来源信息，反映流体混合效果。
16.粒子滞留时间(prt)是表征流动停滞与循环区域的重要指标，其定义为流体在测量区域内的滞留时间。采用上述计算方式，不需要空间或时间平均，可以瞬间测量域内被跟踪的每一个粒子的prt。通过跟踪单个颗粒，可以映射到高prt颗粒它们的来源，并用于量化它们受到复杂的流动条件和/或几何形状的相互作用。
17.由于实际流动状况是三维流动，通过粒子跟踪测速仪ptv跟踪粒子的过程中，粒子位置信息有可能突然丢失，不能完整地贯穿整个感兴趣的区域，因而二维测量跟踪粒子的平均时间步长太短，无法直接开展有效的拉格朗日流场分析。而采用本发明技术方案，通过流程图编译算法对ptv测量获得的短迹线流场图进行编码，进而获得涵盖目标时间步长的全流程长迹线流场图。
18.迹线延伸后得到的粒子路径将会覆盖整个感兴趣的区域或者整个测量时间，大幅增加了每一时刻的prt信息。
19.作为本发明的进一步改进，根据粒子的运动轨迹以及源端和终端位置对粒子进行分类，将粒子轨迹分为六类：粒子通过狭窄后在射流中停留整个长度的射流路径、粒子通过狭窄后与剪切层相互作用的夹带路径、起源于再循环区并在记录过程中被冲向下游的冲刷路径、从下游进入测量区域改变方向并从同一方向再次流出的再循环路径、从下游进入测量区域并留在测量区域内的逆流路径、从记录开始就存在并保持在测量区域内的停滞路径。此分类只是一个具体的举例，可以按照自己的意愿任意分类。
20.作为本发明的进一步改进，步骤s1采用现有技术的粒子跟踪测速方法ptv获得粒子轨迹信息。
21.进一步优选的，步骤s1包括：
22.设计实验模型，在管路中安装实验模型，确定测量区域，且模型安装时测量流场部分对应充满水的透明矩形水箱一侧；将高速相机放置在实验段的一侧，激光片光源从水箱一侧的透明窗射入，照亮实验模型测量截面，同时高速相机拍摄测量区域时观测流场图像。向水中加入一定量的跟随运动的示踪粒子，将整个管道充满水，开动精密齿轮泵，使得水在管道内循环流动，从观察窗以设定采集频率和曝光时间同步测量视窗的粒子图像。最后对粒子图像通过数据采集分析系统上的ptv分析软件对粒子进行检测、匹配和跟踪。使用高斯拟合对记录的图像进行峰值匹配，在每一帧中识别出数千个粒子，得到短迹线流场图。
23.进一步的，所述激光片光源包括532nm绿光固体激光器和ptv光学镜组。
24.进一步的，管路上设有可编程控制精密齿轮泵，采用此技术方案，管路中的流体可
以满足正弦型脉冲流，流速满足函数u＝um[1+λsin(2πft)]，喉部平均速度um和振幅比λ＝u0/um，f为脉动频率。
[0025]
进一步的，在可编程控制精密齿轮泵产生脉冲流时，释放示踪粒子如60μm球形聚酰胺颗粒。
[0026]
进一步的，该实验模型为轴对称狭窄模型。
[0027]
进一步的，所述实验模型的轮廓线满足正弦曲线函数：所述实验模型的轮廓线满足正弦曲线函数：式中，x为沿管道方向的长度(-0.5≤x≤0.5)，d为管道直径，d为喉部直径，l为狭窄总长度的一半(l＝d)。
[0028]
进一步的，所述实验模型放置在充满水的矩形光学水箱中，使得实验模型的管道的弯曲壁变得光学透明，以减少光学折射率的不同造成的扭曲管道壁。
[0029]
进一步的，所述实验模型的材质为有机玻璃，保证模型的透明度。
[0030]
作为本发明的进一步改进，步骤s2中，所述流程图编译算法包括：对ptv测量获得的示踪粒子轨迹信息，向前(t
i-t
i+1
)、向后(t
i-t
i-1
)双时间步流场图使用局部加权回归获得流场全流程的趋势函数，然后使用趋势函数预测流场中迹线的运动轨迹，将短迹线延伸至需要的时间步长，得到延长后的各示踪粒子的路径线。
[0031]
进一步的，使用高斯拟合对相机记录的图像进行峰值匹配，在每一帧中识别出数千个粒子。峰值匹配将检测到的粒子在允许的速度范围内逐帧配对，计算单个速度矢量。对每个矢量的空间相干性与其相邻矢量进行验证，并将有效的矢量连接起来形成轨迹。然后根据路径长度对粒子轨迹进行过滤，如果一条轨迹延伸到少于5张连续图像上，或者任何一个单独的步长与前一步长的差异超过20％，则丢弃该轨迹。将最小轨迹的长度由5个时间步长改为2个时间步长对有效轨迹数没有显著影响，并且短的轨迹容易引入噪声误差。增加可接受的轨迹长度反而会降低粒子密度，并对粒子扩展产生负面影响。
[0032]
作为本发明的进一步改进，步骤s2还包括：使用跨越五帧的三阶savitzky-golay滤波器对延长后的各示踪粒子的路径线进行平滑处理。
[0033]
作为本发明的进一步改进，所述的管道流动传质特性的测量方法还包括：
[0034]
步骤s5，根据全流程长迹线流场图，根据公式(2)计算一个周期后测量区域的流体滞留百分比r(t)，
[0035]
r(t)＝(n
t
/n0)
×
100％(2)
[0036]
其中，n0为脉动起始时图谱中的示踪粒子个数，n
t
为脉动周期结束时n0个示踪粒子中仍留在测量区域内的示踪粒子个数；
[0037]
然后根据公式(3)计算耗尽比，
[0038]
η＝(1-r(t))/t*(3)
[0039]
其中，r(t)为一个周期后测量区域的流体滞留百分比，t*为无量纲脉动周期。
[0040]
采用现有技术单独通过粒子跟踪测速仪得到的粒子轨迹的粒子位置信息有可能在任意时刻突然丢失，或者任意时刻在感兴趣区域中间区域突然出现使得粒子轨迹信息数量增加，粒子轨迹信息数量增加或者减少都将影响该时刻感兴趣区域内有效粒子个数。通过迹线延伸技术，能够将不完整的轨迹信息补充到整个拍摄周期或者覆盖整个感兴趣区域，得到的耗尽系数更加准确。
[0041]
作为本发明的进一步改进，所述的管道流动传质特性的测量方法还包括：
[0042]
步骤s6，利用延长后的示踪粒子轨迹信息，采用公式(4)计算混合系数mc，
[0043]
mc＝1-∑(a
h,i
/af)(4)
[0044]
其中，a
h,i
为第i个判定区域内流体来自底层示踪粒子所占面积，af为判定区域面积。具体而言，采用单个示踪粒子的面积与第i个判定区域内的示踪粒子的个数得到所占面积a
h,i
。
[0045]
本发明还公开了一种管道流动传质特性的测量系统，其包括：
[0046]
短迹线流场图获取模块，用于获取粒子跟踪测速方法ptv得到的示踪粒子轨迹信息，获得短迹线流场图；
[0047]
全流程长迹线流场图获取模块，用于采用流程图编译算法对所述短迹线流场图进行编码，进而获得涵盖目标时间步长的全流程长迹线流场图；
[0048]
轨迹分类模块，用于根据延长后的示踪粒子轨迹信息包含的时间和位置信息对示踪粒子进行分类；
[0049]
示踪粒子停留时间计算模块，用于利用全流程长迹线流场图，根据式(1)计算每条迹线示踪粒子的停留时间prt，
[0050]
prt＝t
n-t0(1)，
[0051]
其中，tn为示踪粒子离开测量区域的时间，t0为进入测量区域的时间；
[0052]
根据轨迹分类里每一类轨迹路径的示踪粒子停留时间，可以计算出每一时刻示踪粒子prt的大小和位置分布，获得该示踪粒子的来源信息，反映流体混合效果。
[0053]
作为本发明的进一步改进，所述流程图编译算法包括：对ptv测量获得的示踪粒子轨迹信息，向前(t
i-t
i+1
)/向后(t
i-t
i-1
)双时间步流场图使用局部加权回归获得流场全流程的趋势函数，然后使用趋势函数预测流场中迹线的运动轨迹，将短迹线延伸至需要的时间步长，得到延长后的各示踪粒子的路径线。
[0054]
作为本发明的进一步改进，对延长后的各示踪粒子的路径线使用跨越五帧的三阶savitzky-golay滤波器进行平滑处理。
[0055]
作为本发明的进一步改进，所述的管道流动传质特性的测量系统还包括：
[0056]
耗尽比计算模块，根据全流程长迹线流场图，根据公式(2)计算一个周期后测量区域的流体滞留百分比r(t)，
[0057]
r(t)＝(n
t
/n0)
×
100％(2)
[0058]
其中，n0为脉动起始时图谱中的示踪粒子个数，n
t
为脉动周期结束时n0个示踪粒子中仍留在测量区域内的示踪粒子个数；
[0059]
然后根据公式(3)计算耗尽比，
[0060]
η＝(1-r(t))/t*(3)
[0061]
其中，r(t)为一个周期后测量区域的流体滞留百分比，t*为无量纲脉动周期。
[0062]
作为本发明的进一步改进，所述的管道流动传质特性的测量系统还包括：
[0063]
混合系数计算模块，利用延长后的示踪粒子轨迹信息，采用公式(4)计算混合系数mc，
[0064]
mc＝1-∑(a
h,i
/af)(4)
[0065]
其中，a
h,i
为第i个判定区域内流体来自底层示踪粒子所占面积，af为判定区域面积。
[0066]
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
[0067]
采用本发明的技术方案，通过跟踪流动粒子得到相关的时间和位置信息，在不增加旁路的情况下，能够测量出单一主流管道的传质特性；使用迹线延伸方法得到的粒子路径将会覆盖整个感兴趣的区域或者整个测量时间，大幅增加了每一时刻的prt信息，解决了现有技术采用ptv直接测量获得的流场图迹线时间步长较短，无法直接开展有效的拉格朗日流场分析的问题；通过迹线延伸技术，能够将不完整的轨迹信息补充到整个拍摄周期或者覆盖整个感兴趣区域，得到的耗尽比等参数更加准确。
附图说明
[0068]
图1是本发明实施例的实验装置图。
[0069]
图2是本发明实施例的迹线延伸原理图。
[0070]
图3是本发明实施例的轨迹分类示意图。
[0071]
图4是本发明实施例的粒子耗尽示意图；其中，(a)为初始时刻，(b)为结束时刻。
[0072]
图5是本发明实施例的粒子混合示意图。
[0073]
附图标记包括：
[0074]
1-可编程控制精密齿轮泵，2-轴对称狭窄模型，3-光学水箱，4-激光器，5-ptv光学镜组，6-流场测量图窗，7-cmos高速相机，8-信号发出系统，9-数据采集分析系统；
[0075]
3-1射流路径，3-2夹带路径，3-3冲刷路径，3-4再循环路径，3-5逆流路径，3-6停滞路径。
具体实施方式
[0076]
下面对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。
[0077]
一种管道流动传质特性的测量方法，包括如下步骤：
[0078]
(1)通过粒子跟踪测速方法ptv获得粒子轨迹信息
[0079]
搭建实验平台，如图1所示，包括在管路上设置可编程控制精密齿轮泵1和光学水箱3，将轴对称狭窄模型2设置在管路的光学水箱3中，所述轴对称狭窄模型2光学水箱3内设有流场测量图窗6，将532nm绿光固体连续激光器4和ptv光学镜组5组成的片光源设置在流场测量图窗6的一侧，并朝着流场测量图窗6，将cmos高速相机7位于流场测量图窗6的一侧，并拍摄该流场测量图窗6的图像。532nm绿光固体连续激光器4发出3mm直径的激光束通过ptv光学镜组的扩散成3mm厚度的片光源，能够满足低速ptv实验对光源的要求。数据采集系统9向信号发生系统8发出采集指令后，信号发生系统8向cmos高速相机7同步发出触发信号，在532nm绿光固体连续激光器4照亮下，cmos高速相机7以设定采集频率和曝光时间同步流场测量图窗6的粒子图像，并使得示踪粒子在高速射流区域位移不超过8像素。最后粒子图像通过数据采集分析系统上的ptv分析软件处理，得到流场的高频速度信息，即短迹线流场图。
[0080]
本实施例中，轴对称狭窄模型采用有机玻璃加工保证了模型的透明度，且狭窄模型轮廓线满足正弦曲线函数：式中，x为沿管道方向的长度(-0.5≤x≤0.5)，d为管道直径，d为喉部直径，l为狭窄总长度的一半。轴对称狭窄模型放置在充满水的光学水箱中，使得管道的弯曲壁变得光学透明，以减少光学折射率的不同造成的
扭曲管道壁。
[0081]
本实施例中设计满足正弦型脉冲流，流速满足函数u＝um[1+λsin(2πft)]，喉部平均速度um和振幅比λ＝u0/um，f为脉动频率。启动可编程控制精密齿轮泵循环抽取工作流体，并释放60nm球形聚酰胺颗粒。
[0082]
数据采集分析系统上的ptv分析软件对粒子进行检测、匹配和跟踪。
[0083]
(2)通过路径扩展方法获得全流程流场图
[0084]
利用流场图编译算法(fmc)获得全流程流场图谱，进而直接使用流场图进行流体输运分析，得到掺混系数、耗尽比、流体滞留时间等流体输运特征量。
[0085]
使用高斯拟合对记录的图像进行峰值匹配，在每一帧中识别出数千个粒子。峰值匹配将检测到的粒子在允许的速度范围内逐帧配对，计算单个速度矢量。对每个矢量的空间相干性与其相邻矢量进行验证，并将有效的矢量连接起来形成轨迹。然后根据路径长度对粒子轨迹进行过滤，如果一条轨迹延伸到少于5张连续图像上，或者任何一个单独的步长与前一步长的差异超过20％，则丢弃该轨迹。将最小轨迹的长度由5个时间步长改为2个时间步长对有效轨迹数没有显著影响，并且短的轨迹容易引入噪声误差。增加可接受的轨迹长度反而会降低粒子密度，并对粒子扩展产生负面影响。
[0086]
该方法针对ptv直接测量获得的流场图迹线时间步长较短，无法直接开展有效的拉格朗日流场分析的问题，通过流程图编译算法对ptv测量获得的短迹线流场图进行编码，进而获得涵盖目标时间步长的全流程长迹线流场图。其核心算法为流场图编译算法，即对ptv测量获得的向前(t
i-t
i+1
)/向后(t
i-t
i-1
)双时间步流场图使用局部加权回归(lowess)获得流场全流程的趋势函数，而后使用趋势函数预测流场中迹线的运动轨迹，将短迹线延伸至需要的时间步长。如图2所示给出了ti时刻的正向和反向时间拟合示意图。
[0087]
鉴于示踪粒子浓度太低时来构建拟合函数会产生较大的嘈杂结果，而示踪粒子浓度太高时将过度平滑实际流动物理过程，可以使用跨越五帧的三阶savitzky-golay滤波器对生成的路径线进行平滑处理。
[0088]
(3)轨迹分类
[0089]
如图3所示，根据粒子的运动轨迹以及源端和终端位置对粒子进行分类，将粒子轨迹分为六类：粒子通过狭窄后在射流中停留整个长度的射流路径3-1、粒子通过狭窄后与剪切层相互作用的夹带路径3-2、起源于再循环区并在记录过程中被冲向下游的冲刷路径3-3、从下游进入测量区域改变方向并从同一方向再次流出的再循环路径3-4、从下游进入测量区域并留在测量区域内的逆流路径3-5、从记录开始就存在并保持在测量区域内的停滞路径3-6。
[0090]
(4)利用全流程流场图计算粒子停留时间
[0091]
粒子滞留时间(prt)是表征流动停滞与循环区域的重要指标，其定义为流体在测量区域内的滞留时间。全流程图谱中每条迹线的滞留时间可简单计算为：
[0092]
prt＝t
n-t
0 (1)；
[0093]
其中tn为示踪粒子离开测量区域的时间，t0为进入测量区域的时间。不需要空间或时间平均，可以瞬间测量域内被跟踪的每一个粒子的prt。通过跟踪单个颗粒，可以映射到高prt颗粒它们的来源，并用于量化它们受到复杂的流动条件和/或几何形状的相互作用。
[0094]
计算上述轨迹分类里每一类轨迹路径粒子的粒子停留时间，可以计算出每一时刻
粒子prt的大小和位置分布，并且能够知道该粒子的来源，能够间接地反映流体混合效果。
[0095]
由于实际流动状况是三维流动，通过粒子跟踪测速仪ptv跟踪粒子的过程中，粒子位置信息有可能突然丢失，不能完整地贯穿整个感兴趣的区域，因而二维测量跟踪粒子的平均时间步长太短，而使用迹线延伸方法得到的粒子路径将会覆盖整个感兴趣的区域或者整个测量时间，大幅增加了每一时刻的prt信息。
[0096]
(5)利用延长后的粒子轨迹信息计算耗尽比
[0097]
如图4所示为粒子耗尽示意图。耗尽比为表征流体输运、混合的重要参量。其定义为单位时间内流出测量区域的流体质量与测量区域初始流体质量的比值，即
[0098]
η＝(1-r(t))/t*(3)
[0099]
先计算r(t)为一个周期后测量区域的流体滞留百分比，t*为无量纲脉动周期。查询全流程图谱r(t)＝(n
t
/n0)
×
100％(2)
[0100]
其中，n0为脉动起始时图谱中的示踪粒子个数，n
t
为脉动周期结束时，n0个示踪粒子中仍留在测量区域内的示踪粒子个数。
[0101]
单独通过粒子跟踪测速仪得到的粒子轨迹的粒子位置信息有可能在任意时刻突然丢失，或者任意时刻在感兴趣区域中间区域突然出现使得粒子轨迹信息数量增加，粒子轨迹信息数量增加或者减少都将影响该时刻感兴趣区域内有效粒子个数。通过迹线延伸技术，能够将不完整的轨迹信息补充到整个拍摄周期或者覆盖整个感兴趣区域，得到的耗尽系数更加准确。
[0102]
(6)利用延长后的粒子轨迹信息计算混合系数
[0103]
如图5所示为粒子混合示意图。掺混系数即测量区域内的流体混合的比率，计算公式为：
[0104]
mc＝1-∑(a
h,i
/af)(4)，
[0105]
其中，a
h,i
为第i个判定区域内流体来自底层示踪粒子所占面积，af为判定区域面积。a
h,i
为采用单个示踪粒子的面积与第i个判定区域内的示踪粒子的个数的乘积得到。
[0106]
本发明还公开了一种管道流动传质特性的测量系统，其包括：
[0107]
短迹线流场图获取模块，用于获取粒子跟踪测速方法ptv得到的示踪粒子轨迹信息，获得短迹线流场图；
[0108]
全流程长迹线流场图获取模块，用于采用流程图编译算法对所述短迹线流场图进行编码，进而获得涵盖目标时间步长的全流程长迹线流场图；所述流程图编译算法包括：对ptv测量获得的示踪粒子轨迹信息，向前(t
i-t
i+1
)/向后(t
i-t
i-1
)双时间步流场图使用局部加权回归获得流场全流程的趋势函数，然后使用趋势函数预测流场中迹线的运动轨迹，将短迹线延伸至需要的时间步长，得到延长后的各示踪粒子的路径线。并对延长后的各示踪粒子的路径线使用跨越五帧的三阶savitzky-golay滤波器进行平滑处理。
[0109]
轨迹分类模块，用于根据延长后的示踪粒子轨迹信息包含的时间和位置信息对示踪粒子进行分类；
[0110]
示踪粒子停留时间计算模块，用于利用全流程长迹线流场图，根据式(1)计算每条迹线示踪粒子的停留时间prt，
[0111]
prt＝t
n-t0(1)，
[0112]
其中，tn为示踪粒子离开测量区域的时间，t0为进入测量区域的时间；
[0113]
根据轨迹分类里每一类轨迹路径的示踪粒子停留时间，可以计算出每一时刻示踪粒子prt的大小和位置分布，获得该示踪粒子的来源信息，反映流体混合效果。
[0114]
耗尽比计算模块，根据全流程长迹线流场图，根据公式(2)计算一个周期后测量区域的流体滞留百分比r(t)，
[0115]
r(t)＝(n
t
/n0)
×
100％(2)
[0116]
其中，n0为脉动起始时图谱中的示踪粒子个数，n
t
为脉动周期结束时n0个示踪粒子中仍留在测量区域内的示踪粒子个数；
[0117]
然后根据公式(3)计算耗尽比，
[0118]
η＝(1-r(t))/t*(3)
[0119]
其中，r(t)为一个周期后测量区域的流体滞留百分比，t*为无量纲脉动周期。
[0120]
混合系数计算模块，利用延长后的示踪粒子轨迹信息计算混合系数mc，
[0121]
mc＝1-∑(a
h，i
/af)(4)
[0122]
其中，a
h,i
为第i个判定区域内流体来自底层示踪粒子所占面积，af为判定区域面积。
[0123]
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种管道流动传质特性的测量方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤s1，利用粒子跟踪测速方法ptv获得示踪粒子轨迹信息，获得短迹线流场图；步骤s2，采用流程图编译算法对所述短迹线流场图进行编码，进而获得涵盖目标时间步长的全流程长迹线流场图；步骤s3，根据全流程长迹线流场图包含的时间和位置信息对示踪粒子进行分类；步骤s4，利用全流程长迹线流场图，根据式(1)计算每条迹线示踪粒子的停留时间prt，prt＝t
n-t0(1)，其中，t
n
为示踪粒子离开测量区域的时间，t0为进入测量区域的时间；根据轨迹分类里每一类轨迹路径的示踪粒子的停留时间，计算出每一时刻示踪粒子的prt的大小和位置分布，获得该示踪粒子的来源信息，反映流体混合效果。2.根据权利要求1所述的管道流动传质特性的测量方法，其特征在于：步骤s2中，所述流程图编译算法包括：对ptv测量获得的示踪粒子的轨迹信息，向前(t
i-t
i+1
)、向后(t
i-t
i-1
)双时间步流场图使用局部加权回归获得流场全流程的趋势函数，然后使用趋势函数预测流场中迹线的运动轨迹，将短迹线延伸至需要的时间步长，得到延长后的各示踪粒子的路径线。3.根据权利要求2所述的管道流动传质特性的测量方法，其特征在于：步骤s2还包括：使用跨越五帧的三阶savitzky-golay滤波器对延长后的各示踪粒子的路径线进行平滑处理。4.根据权利要求3所述的管道流动传质特性的测量方法，其特征在于，还包括：步骤s5，根据全流程长迹线流场图，根据公式(2)计算一个周期后测量区域的流体滞留百分比r(t)，r(t)＝(n
t
/n0)
×
100％(2)其中，n0为脉动起始时图谱中的示踪粒子个数，n
t
为脉动周期结束时n0个示踪粒子中仍留在测量区域内的示踪粒子的个数；然后根据公式(3)计算耗尽比，η＝(1-r(t))/t*(3)其中，r(t)为一个周期后测量区域的流体滞留百分比，t*为无量纲脉动周期。5.根据权利要求3所述的管道流动传质特性的测量方法，其特征在于，还包括：步骤s6，利用全流程长迹线流场图包含的示踪粒子的轨迹信息，采用公式(4)计算混合系数m
c
，m
c
＝1-∑(a
h,i
/a
f
)(4)其中，a
h,i
为第i个判定区域内流体来自底层示踪粒子所占面积，a
f
为判定区域面积。6.一种管道流动传质特性的测量系统，其特征在于：其包括：短迹线流场图获取模块，用于获取粒子跟踪测速方法ptv得到的示踪粒子的轨迹信息，获得短迹线流场图；全流程长迹线流场图获取模块，用于采用流程图编译算法对所述短迹线流场图进行编码，进而获得涵盖目标时间步长的全流程长迹线流场图；轨迹分类模块，用于根据全流程长迹线流场图包含的时间和位置信息对示踪粒子进行分类；
示踪粒子停留时间计算模块，用于利用全流程长迹线流场图，根据式(1)计算每条迹线示踪粒子的停留时间prt，prt＝t
n-t0(1)，其中，t
n
为示踪粒子离开测量区域的时间，t0为进入测量区域的时间；根据轨迹分类里每一类轨迹路径的示踪粒子的停留时间，可以计算出每一时刻示踪粒子prt的大小和位置分布，获得该示踪粒子的来源信息，反映流体混合效果。7.根据权利要求6所述的管道流动传质特性的测量系统，其特征在于：所述流程图编译算法包括：对ptv测量获得的示踪粒子轨迹信息，向前(t
i-t
i+1
)、向后(t
i-t
i-1
)双时间步流场图使用局部加权回归获得流场全流程的趋势函数，然后使用趋势函数预测流场中迹线的运动轨迹，将短迹线延伸至需要的时间步长，得到延长后的各示踪粒子的路径线。8.根据权利要求7所述的管道流动传质特性的测量系统，其特征在于：对延长后的各示踪粒子的路径线使用跨越五帧的三阶savitzky-golay滤波器进行平滑处理。9.根据权利要求7所述的管道流动传质特性的测量系统，其特征在于，还包括：耗尽比计算模块，根据全流程长迹线流场图，根据公式(2)计算一个周期后测量区域的流体滞留百分比r(t)，r(t)＝(n
t
/n0)
×
100％(2)其中，n0为脉动起始时图谱中的示踪粒子的个数，n
t
为脉动周期结束时n0个示踪粒子中仍留在测量区域内的示踪粒子的个数；然后根据公式(3)计算耗尽比，η＝(1-r(t))/t*(3)其中，r(t)为一个周期后测量区域的流体滞留百分比，t*为无量纲脉动周期。10.根据权利要求7所述的管道流动传质特性的测量系统，其特征在于，还包括：混合系数计算模块，利用全流程长迹线流场图的示踪粒子轨迹信息，采用公式(4)计算混合系数m
c
，m
c
＝1-∑(a
h,i
/a
f
)(4)其中，a
h,i
为第i个判定区域内流体来自底层示踪粒子所占面积，a
f
为判定区域面积。

技术总结
本发明提供了一种管道流动传质特性的测量方法和测量系统，该测量方法包括如下步骤：利用粒子跟踪测速方法PTV获得示踪粒子轨迹信息，获得短迹线流场图；步骤S2，采用流程图编译算法，获得涵盖目标时间步长的全流程长迹线流场图；根据延长后的示踪粒子轨迹信息包含的时间和位置信息对示踪粒子进行分类；利用全流程长迹线流场图，计算每条迹线示踪粒子的停留时间PRT，根据轨迹分类里每一类轨迹路径的示踪粒子停留时间，可以计算出每一时刻示踪粒子PRT的大小和位置分布，获得该示踪粒子的来源信息，反映流体混合效果。采用本发明的技术方案，能够测量出单一主流管道的传质特性，使得到的粒子停留时间信息和耗尽比等参数更加准确。确。确。


技术研发人员：张凯 韩星 胡常旭
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学（深圳）
技术研发日：2023.05.15
技术公布日：2023/8/4