基于MATLAB的电冰箱风冷式蒸发器流场的图像处理

张敏

（苏州经贸职业技术学院，江苏　苏州　215009）

基于MATLAB的电冰箱风冷式蒸发器流场的图像处理

张敏

（苏州经贸职业技术学院，江苏苏州215009）

利用MATLAB的强大图像处理功能，借助粒子图像测速（PIV）技术理念，对电冰箱风冷式蒸发器流场拍摄到的图像进行流场定量研究，对蒸发器的改进设计提出具体建议。

MATLAB；蒸发器；图像处理

粒子图像测速（PIV）技术是在流场中散播示踪粒子，通过两次或多次时间间隔较短的曝光，将粒子的图像拍摄下来，然后根据互相关法理论，计算流场中示踪粒子的速度，从而获得流场的速度分布，为流场的可视化研究提供正确的途径。为了研究风冷蒸发器内流场情况，优化蒸发器的设计，笔者借助PIV技术的理念，通过可视化的实验，借用MATLAB的强大的图像处理功能来直观地观察蒸发器内速度流场的情况。

一、风冷蒸发器流场试验模型简介

本文针对松下公司NR-F555TX-N5进口电冰箱进行优化设计，研究在一定外围空间结构下，风冷式蒸发器表面的气流流场；通过模拟实验，拍摄高清录像，再对气流流场图片进行图形处理、分析，来优化设计风冷式蒸发器。同时，为了保证拍摄效果，提高可视化及减小图像处理的难度，采用MATLAB软件的图像处理功能，提高了结果的准确性。

在风冷蒸发器做流场试验前，先做如下准备工作:

（1）对冰箱的风冷式蒸发器内隔板按需要进行切割，采用同厚度的有机玻璃板进行替代，这样就能获得最接近真实情况下的蒸发器表面的气流流场。

（2）采用透明平板有机玻璃代替NR-F555TXN5冰箱结构形式复杂的外隔板，既能实现可视化，又能确保流场的真实流动情况。切割、替代后的蒸发器试验模型见图1。

图1　蒸发器实验的可视化模型

（3）采用水雾作为示踪气体。水雾是在低温条件，通过加热器玻璃管间接加热水产生的气体。因为在低温条件下，水蒸气以大分子团的状态出现，用摄像机方便拍摄清晰的流动图像。

（4）光源使用直径2cm的日光灯，在换热器的上下观测区域各布置1只。

二、基于MATLAB的图像处理

从未开始生水雾（后面统称为未发烟）开始，连续录取一段3分30秒的视频。由于在流动稳定的情况下，高清摄像机拍摄的蒸发器表面水雾流动的速度和方向大致是相同的，故下面仅以处理某一时刻的气流速度为例，对蒸发器表面水雾流场进行MATLAB图像处理。

（一）拍摄图像的截取

图2　未发烟截图

将录制的水雾流动视频，以帧为单位截取连续两张图片。本实验中所使用的工具为KMP视频处理软件，视频单位为每秒15帧。首先，视频中截取不发烟时的一帧图（如图2）作为背景图片，然后根据视频截取发水雾时某一时刻的一帧图 （发烟截图）进行处理。

（二）图像的二值处理及histeq增强

为了保证图像中水雾的正确互相关，图中相应位置的水雾在该时刻能够精确识别，运用MATLAB软件中的rgb2gray函数对图片做黑白处理，并分析其灰度直方图。发烟截图黑白处理后的效果见图3，对应灰度峰值见图4。

图3　发烟截图黑白处理后

图4　发烟截图的灰度分布

由图3可知，发烟截图经rgb2gray化后的图片，水雾的流动不是很清晰，这是由于拍摄及光线原因，使其对比度不是很强烈，这点在图4灰度分布示意图中极为突出地反映出来。在图4中，灰度频率大都集中在波长靠前的区域，这就造成图片的辨识度较低，给后续处理带来不便。为了解决这个问题，运用MATLAB软件中的histeq算法自动均衡黑白图片中的灰度值，使其均匀分布。均匀后的效果如图5所示，其灰度分布见图6。

图5　对发烟截图均衡化

从图5中可以看到，经histeq处理后的图片对比效果相当强烈。这源于图片的灰度自动均衡化后，图片中的灰度频率在整个波长范围内均衡布置，突出了水雾与背景的区别。

（三）用MATLAB实现互相关的处理方法

图6　发烟截图均衡化后的灰度分布度

在突出水雾与背景区别后，将经histeq直方图修正处理后的发烟截图 （图5），利用MATLAB的imsubtract命令，减去未发烟截图（图2）经histeq直方图修正处理后的图像，用以除去背景，获得对应时刻的水雾的情况。为了便于图像比较，质点追踪，利用MATLAB中的放大和缩小函数imresize，实现图像的马赛克效果。

采用同样方法，每隔30秒截取一张图片，获得该图片对应时刻的水雾流动情况，再借助PIV测速原理，对两幅图片的水雾质点进行互相关匹配处理，确定水雾质点在两幅图片中的位置，计算时间间隔内各水雾质点的流动距离，最终后保存数据，得到如图7所示的蒸发器表面气流速度矢量图。

图7　蒸发器表面气流速度矢量图

图8　改进后蒸发器表面气流速度矢量图

三、结果分析与改进

因为蒸发器表面的水雾整体上是自下而上流动，速度矢量图整体反应了自下而上流动的流动趋势，但在最靠近蒸发器的底部位置，气流的流向有向下的情况，分析可能在出口处存在气流干扰，造成底部气流滞留；也可能是由于相机录像，使视觉产生滞留性所致。实验结果基本与水雾流动情况一致。

由于在低精度下，边缘对比不明显的水雾无法被检测出来，而采用MATLAB的edge边缘检测，能够检测出的水雾边缘精度，可以避免使用背景图片由于光线导致的灰度不同和设备震动等原因造成的背景不重合问题。所以，可以从同一张图片的高级别edge边缘检测中去除低级别edge边缘检测图片，这样就可以得到更为精确的水雾。改进后，蒸发器表面的气流速度矢量图如图8所示，自下而上的流动轨迹更为清晰。

从图8可以看出，蒸发器表面气流在上部和下部比较均匀，但在蒸发器中部流场有漩涡出现。本实验符合传热学上的理论:传热温差越大，气流速度越大，对流换热强度越强。

因此，可以从以下两个方面对蒸发器加以改进:一方面是结构上的改进，改进结构避免气流旋窝的出现；另一方面，在节能可行的条件下，应加大气流整体的流动速度，增大传热量。研究电冰箱风冷式蒸发器内流场的实际情况，对优化蒸发器的结构设计，强化传热效果，设计新型的节能冰箱有着重要的意义。

［1］汪林.旋风分离器气固两相流数值模拟及性能分析［D］.哈尔滨:哈尔滨工业大学，2007.

［2］李倩.通信机房热环境的模拟及测量方式的改进［D］.青岛:中国海洋大学，2014.

［3］龚声蓉，刘纯平，王强.数字图像处理与分析［M］.北京:清华大学出版社，2006.

［4］陈健，雷洪，耿佃桥，等.机房气流分布的数值模拟［J］.沈阳师范大学学报（自然科学版），2011（4）:526-520.

（编辑:林钢）

Image Processing of the Flow Field in an Air Cooling Evaporator Based on MATLAB

（Suzhou Institute of Trade and Commerce，Suzhou 215009，China）

The powerful image processing function of MATLAB is used to study the flow field of the air cooling evaporator in a refrigerator.With the aid of particle image velocimetry（PIV）technology，a quantitative analysis of the flow field of the captured images is provided and suggestions for the improvement of the evaporator is put forward.

MATLAB；evaporator；Image processing

TM 925.21

A

1671-4806（2016）03-0090-03

2016-04-25

苏州经贸职业技术学院中央财政支持提升专业服务产业能力建设项目

张敏（1980—），女，江苏常熟人，讲师，硕士，研究方向为制冷空调节能、计算机技术。