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中国程热物理学会第厢学术会议霜层生长程热力学’能源利用编号初期冰晶体结构实验研究及分形分析侯普秀蔡亮虞维平东南大学动力系江苏南京电话摘要通过自行研制的图像放大及采集系统对霜层生长初期冰晶体的形态进行砬微观测柑到小『一生乏条件下冰晶体的幽像。
随后采用数字图像处理的方法将原蹦像转换为一值瞄并使用计靠维数的方法对幽像进行分形分析。
结果表充分发展的树枝状冰晶体臼。
一定的尺度范嘲内具自分蟛特征井求得上分彤维数…尚未充分生的冰晶体则小具存分形特征。
撮后讨论分彤维数曲研究霜层生长过程中的意义这些作为建更加符合实际情况的霜层生长模型提供肇础。
关键词结霜分形冰晶体计盒维数一引言湿空气经过温度低。
冰点的冷表面时便会在冷表面凝结成霜。
自上世纪年代以来结霜现象受到了越来越多的重视。
霜层的存在降低了换热器的效率增加了压损严重时甚至会使系统失效。
为了降低结霜带来的危害必须深入了解结霜现象。
将结霜过程分为晶体生长期、霜层生长期以及霜层成熟期【】这种说法已经为许多的实验所验证。
霜层生跃的每个阶段都有不同的特点每个阶段对霜层的后续生妖有着重要的影响。
为此对丁这三个不同的阶段有必要分别进行研究。
许多学者已经对冰晶体生期进行过实验研究并且描述了不同环境条件冰晶体的形态。
不过这些描述没有提供一个具体的指标来定鼙区分这些不同形态。
在建立霜层结构模型的时候多数学者都采用了一些简单几何体及其组合来简化霜层的结构而简化后的结构与真实的霜层存在较大的区别。
为了建立比较符合实际的霜层生长初期结构模型有必要引入一个结构参量对霜层进行描述。
分形维数就是对不规则的儿何图形的结构定草描述的一个参譬。
目前许多学者已经在多孔介质传热传质的研究中鹿州了分形理论”…并得到了一些初步的成果。
而在结霜现象的研究中尚未见到相关的文献。
本文拟以实验得到的幽片为基础采片数字图像处理的技术对冰晶体分析判断其结构是否具有分形特征并对贝有分形特征的晶体求其分形维数。
二实验设备炭幽实验装需图实验中使半导体制冷片作为冷却装置制冷片的热端采用循环水冷却。
结霜表面抛×的铜板用硅胶将铜板与半导体制冷片连接在一起。
为了检测铜板表面的温度分布在铜板表面钻孔后布置了个铜一康铜标准热电偶其测觜误差为±℃。
通过凋常电压可以使表面温度在‘一℃之间变化。
实验中测得铜板表面的温度变化小丁℃。
实验采州图像放大采集系统来观测冰晶体的微观结构。
该系统由体式显微镜、以及装有采集的计算机等组成。
其中显微镜物镜的放大倍数可以是倍、倍以及倍。
的放大倍数视显示器的大小而定。
本套图像放火以及采集系统的晟大放大倍数为倍。
实验在恒温恒温的房间内进行对于同一环境条件进行了组实验。
房间具体的温度以及湿度的测量使用了温湿度仪其温度测量误差为±℃相对湿度测鼙误著为±。
实验中分别改变了铜板表面的温度、空气的温度以及相对湿度。
制冷片通电之前薄塑料布先将铜板表面覆羔待铜表面温度稳定后开始记录霜层的生长状况实验拍摄得到的图片亮度值的分布有一定的范围其中亮度值较人的是冰晶体较小的是背景。
为了将冰晶体与背景明显区分出来采用灰度门限化分割方法将拍摄得剑的图片划分为性质不同的区域。
灰度门限化分割是最常的分割方法特别适合于对象和背景??‘据不同灰度范同的一类图像。
其基本思想为选取一个合适的灰度限将每个像素的灰度与其进行比较超过限值的像素分配虽人灰度低丁¨限值的分配最小灰度这样可以将原幽像转换为一个二值图像。
具体方法见参考文献】。
三冰晶体结构分形特征的判断及维数的测量分形物体的量度与测鼙的尺度满足如的标度关系三“其中和分州为测昔值与测量的尺度为分形维数现实中的物体通常不具