《International Journal of Multiphase Flow》：A new Stereo PTV technique for 3-dimensional particle tracking in conical spouted beds
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研究人员开发了一种立体粒子追踪测速（Stereo PTV）技术，用于喷动床喷泉区的三维颗粒追踪。研究采用两台内窥镜（borescopic）高速摄像机记录颗粒运动。研究人员开发了用于颗粒配对及预测其世界坐标位置的算法。研究中确定了喷泉区内的固体轨迹与颗粒速度。该
研究人员开发了一种立体粒子追踪测速（Stereo PTV）技术，用于喷动床喷泉区的三维颗粒追踪。研究采用两台内窥镜（borescopic）高速摄像机记录颗粒运动。研究人员开发了用于颗粒配对及预测其世界坐标位置的算法。研究中确定了喷泉区内的固体轨迹与颗粒速度。该技术解决了传统非侵入式技术在密相区受限及单目系统丢失深度信息的问题，通过引入双目立体视觉与对极几何（epipolar geometry）约束实现三维定位，并利用三角测量（triangulation）计算空间位移。实验验证了该技术在不同方向上的平均位移误差低于5%，能够准确捕捉锥形喷动床喷泉区内颗粒的抛物线轨迹及径向速度分布特征。
研究背景与意义
锥形喷动床（conical spouted beds）作为一种多功能气固接触方法，在处理粗颗粒、宽粒径分布混合物及粘性不规则纹理固体方面表现出优于固定床与流化床的操作性能，广泛应用于燃烧、聚合、热解、干燥及气化等热过程。其工业应用受限于复杂的流体动力学行为，而固体速度是制约床层温度、气体停留时间、固体循环周期及传热传质速率的关键参数，也是验证CFD-DEM等数学模型所必需的海量数据集核心内容。目前现有的非侵入式测量技术存在显著局限：粒子图像测速（Particle Image Velocimetry, PIV）与单目粒子追踪测速（Particle Tracking Velocimetry, PTV）仅限于床层外表层，无法获取核心区速度；放射性粒子追踪（Radioactive Particle Tracking, RPT）、正电子发射粒子追踪（Positron Emission Particle Tracking, PEPT）、X射线及磁粒子追踪（Magnetic Particle Tracking, MPT）存在安全性差、成本高昂或单次仅能测量单一颗粒的问题；激光多普勒测速（Laser Doppler Velocimetry, LDV）仅适用于固含率低于15%的稀相区。侵入式光纤探头虽被使用，但依赖校准且难以获取喷泉区的水平位移与三维运动信息。由于喷泉区颗粒受重力作用呈抛物线运动，单目系统投影至二维图像会丢失深度（depth）信息，因此亟需一种安全、可靠且能获取三维速度的侵入式立体测量技术。本研究提出的立体内窥镜PTV技术旨在填补这一空白，为喷动床水力学模型验证提供高精度实验数据，论文发表于《International Journal of Multiphase Flow》。
主要关键技术方法
研究人员搭建了由两台AOS S-PRI高速摄像机耦合内窥镜组成的立体录制系统，内窥镜长0.25 m、直径0.01 m，配备连续光源与不锈钢保护套。通过三维打印PLA（polylactic acid）部件在接触器壁开设矩形孔以调节两内窥镜径向与角度位置。研究人员利用Matlab的Stereo Camera Calibrator App基于棋盘格图案标定获取基本矩阵（fundamental matrix）F与相机内外参。算法流程包括图像裁剪、Canny边缘检测与Hough圆检测提取颗粒质心，基于对极几何约束利用匈牙利指派算法（Hungarian assignment algorithm）进行跨视角颗粒配对，并结合帧间追踪算法处理新出现颗粒与遮挡问题，最终通过三角测量函数计算以主相机光心为原点的三维世界坐标。实验采用平均粒径3.34±0.2 mm、密度2040 kg·m?3的氧化铝（alumina）颗粒，静态床高0.2 m，入口流速34.04 m·s?1（1.3倍最小喷动速度），在距床面0.112 m高度处沿径向多位点采集2.5 s视频（共20000帧）进行验证与分析。
研究结果
3.1. Selecting the optimum angular separation between cameras
研究人员通过改变两内窥镜轴间夹角β（25°至45°）进行预实验，基于记录颗粒数量最大化与图像亮度（像素灰度值总和）双重准则筛选最优角。结果显示夹角低于30°时视场重叠不足，高于45°时视场缩小；左相机亮度恒高于右相机。综合考量，40°夹角在保证捕获4个静态颗粒均可见的同时使右相机亮度最高，故确定为最佳角分离度。
3.2. Validation of the stereo particle tracking velocimetry technique
研究人员在定制三刻度导轨装置上进行350余次精密位移测试（1–7 mm），对比算法预测值与人工位移值。结果表明水平、垂直与深度方向平均相对误差分别为2.9±1.7%、4.4±2.0%、5.2±2.1%，总体平均误差4.2±2.9%，且误差随位移增大而减小。在自由落体验证中，算法测得平均垂直速度3.31±0.24 m·s?1，略低于理论值3.96 m·s?1（√(2gh)），差异归因于空气阻力与管壁碰撞，证实了技术可靠性。
3.3. Particle trajectories and velocities
研究人员在距气体入口喷嘴0.312 m高度分析径向位点的颗粒轨迹与速度。结果显示：轴心附近（0–2 cm）颗粒近乎垂直上升（与轴线夹角351.3°–7.9°），受颗粒碰撞微偏；径向2–5 cm轨迹外倾；5.7 cm处出现升降颗粒共存；6.7 cm处下降颗粒多于上升，界定喷泉核–外围界面约在5.72–6.72 cm间，该界面非锐界而为1–2 cm过渡区；近壁区（13 cm）约60%颗粒因壁面碰撞内倾下落。速度模量在轴心最高，随径向靠近壁面近似线性递减，3.72–5.72 cm维持约750 mm·s?1，大于6.72 cm转为负值（下降），近壁因碰撞耗能下降速度略有降低，符合气体膨胀导致的抛物线轨迹特征。
讨论与结论翻译
研究人员开发并验证了一种立体内窥镜粒子追踪测速（PTV）技术，用于测量喷动床喷泉区等稀相区的三维颗粒位移，预测误差低于5%。基于2.5 s记录（核心区超2000颗粒，外围约150颗粒），确定了颗粒相对于接触器轴线的角偏差（轨迹）。靠近轴线处颗粒主要受气流垂直夹带，随径向接近壁面则流向器壁；外围颗粒受重力落回床面且轨迹向外，证实重力致抛物线运动；近壁大量颗粒向内下落，证实与接触器壁碰撞反弹。喷泉核–外围界面非清晰边界，而是厚1–2 cm区域，内部分颗粒上升部分下降。算法亦预测速度模量：轴线附近最大，随径向近壁递减；速度矢量方向（上转下）在界面处转变。鉴于该技术准确预测稀相区三维位移与速度，未来应关注不同操作条件、颗粒与几何因素下的喷泉流型，以辅助数学模型开发预测喷动床性能。
