砂塵試驗設(shè)備中顆粒濃度場的實驗研究
砂塵環(huán)境是引起許多軍用武器設(shè)備，包括直升機失效的一個重要環(huán)境因素.廣泛分布的砂塵環(huán)境，對軍用設(shè)備及直升機的部件、系統(tǒng)和機載設(shè)備的性能及可靠性具有嚴(yán)重影響.對軍用武器裝備進 行 砂 塵 環(huán) 境 模 擬 試 驗 是 國 家 軍 用 標(biāo) 準(zhǔn)GJB150 . 12-86中規(guī)定的實驗項目.我國還沒有能滿足包括直升機等大型試件的大型砂塵試驗設(shè)備，因此建立滿足國軍標(biāo)技術(shù)指標(biāo)要求的砂塵模擬環(huán)境試驗設(shè)備是當(dāng)務(wù)之急.其中顆粒濃度、粒徑分布和撞擊落塵是砂塵試驗中需要研究確定的重要參數(shù).分析上述參數(shù)實際上就是研究氣固兩相流中顆粒速度場以及濃度場的變化規(guī)律.國軍標(biāo)砂塵環(huán)境試驗中規(guī)定，含砂氣固兩相流在撞擊試件時，砂粒的速度和氣流流速基本相等，同時砂粒近似均勻地懸浮在氣流中［I］.這些參數(shù)反映了氣固兩相流復(fù)雜的空間特性，難以通過理論模型來描述，只有采用理論分析與實驗研究相結(jié)合的方法，才能確定砂塵設(shè)備中的一些設(shè)計參數(shù)，如加砂方式和加砂段距離等!實驗裝置及實驗方法本實驗是在中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所沙漠研究所室內(nèi)風(fēng)沙環(huán)境風(fēng)洞進行的.它是一座直流閉口吹氣式低速風(fēng)洞，實驗段長I6 . 23 m，實驗段矩型斷面為寬X高= I . 0 m X0 . 6 m，進口軸線指示風(fēng)速! = I . 5 ~ 35 . 0 m/S，連續(xù)可調(diào)，風(fēng)洞為木質(zhì)框架結(jié)構(gòu)，實驗段兩側(cè)壁和頂部由裝有鋼化玻璃的活動窗戶所構(gòu)成，而風(fēng)洞底部則由多層膠合板所組成.
1.實驗裝置即實驗方法
本實驗系統(tǒng)如圖I所示，風(fēng)洞主風(fēng)機是一臺離心風(fēng)機，砂塵顆粒氣力輸送的氣源是一臺空壓機，通過帶有球閥的料斗將砂料加入到輸送管道內(nèi).其余包括料斗及輸送管路都是塑料制品，而氣固噴嘴為鋼材制成，收擴型，收擴比26 1 36，擴張角30 .由空壓機出來的壓縮空氣將料斗的砂料通過輸送管路經(jīng)氣固噴嘴沿軸向噴入實驗段主氣流內(nèi)"測量原理

2.測量原理
激光粒子成像技術(shù)是在流場顯示的基礎(chǔ)上，利用近期高速發(fā)展的計算機圖像處理技術(shù)而發(fā)展起來的一種新的流動測量技術(shù)［2］.它突破了空間單點測量技術(shù)的局限性，從而實現(xiàn)了對整個流場的瞬態(tài)測量［3］.在流場測量技術(shù)中信號的處理主要有粒子成像測速技術(shù)PIV（Particie Image Veioci-metry）與粒子跟蹤測速技術(shù)PTV（Particie TracingVeiocimetry）2種算法［4］. PIV技術(shù)是基于圖像相關(guān)，而PTV技術(shù)是基于顆粒相關(guān)，它由2幅圖像的時間間隔計算出該顆粒的速度矢量，從而得到整個流場的速度分布.因此，在流場測試過程中在確定圖像中各粒子的位置時，同時還可以得到粒子尺寸及分布的信息，比較而言基于顆粒相關(guān)的PTV技術(shù)更容易獲得整個流場中顆粒的運動情況及顆粒的形狀信息，因而PTV技術(shù)更適合于研究砂塵環(huán)境試驗中稀相含砂氣固兩相流場，其原理如圖2所示.
其測定原理為：將顆粒濃度場置于激光片光源的照射下，用照相系統(tǒng)把所要研究區(qū)域的顆粒濃度場*地記錄在底片上，然后用基于顆粒相關(guān)的PTV技術(shù)處理該底片［5］，由圖像的灰度梯度來進行粒子邊界的識別，即從粒子圖像的灰度中心點出發(fā)，計算與灰度中心相鄰各點間的梯度值，然后又由這些點出發(fā)計算與其各自相鄰點的灰度梯度值.按此方法，直到粒子的邊緣為止，即粒子邊緣點與背景的梯度值小于我們預(yù)先設(shè)定好的閾值，而且這個點與其相鄰點的灰度值接近于背景的灰度.這樣，找到各粒子的邊界后，就可以計算出該粒子在圖像中所占的面積的大小，也就是說包含有多少個象素點，根據(jù)單位象素點所代表的實際長度大小，可以換算出粒子的實際面積大小，然后將這個面積折算成相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)直徑，即將不規(guī)則的粒子折算成標(biāo)準(zhǔn)的球形粒子的直徑其中，#T是不規(guī)則光斑的實際面積，單位為m2；"是折算后球形粒子的標(biāo)準(zhǔn)直徑，單位為m.經(jīng)過這樣的計算轉(zhuǎn)換，得到各粒子的標(biāo)準(zhǔn)直徑，就可以將圖像中的粒子按搜索的位置和尺寸大小分類，于是就得到了相應(yīng)流場中顆粒大小及空間分布情況.

3.實驗過程
本砂塵試驗實驗條件是按國軍標(biāo)進行的，所用的砂料全部是石英砂，密度為2 600 kg/m3，直徑為I50 ~850"m，平均粒徑為377"m.實驗中風(fēng)洞風(fēng)速為20 m/S，氣固噴嘴噴速為25 m/S，風(fēng)洞中砂粒質(zhì)量濃度為2 . 2 g/m3，屬稀相氣固兩相流.實驗中對經(jīng)氣固噴嘴噴出的含砂粒的氣固兩相流和風(fēng)洞來流混合后的氣固兩相流進行測試研究.實驗開始前，將標(biāo)有刻度的校準(zhǔn)板置于觀察區(qū)域，用CCD相機拍攝下來，用于標(biāo)定CCD的像素與實際測量范圍的換算關(guān)系.在測試時，用激光片光源照亮氣固噴嘴中心處與流動方向平行的豎直截面，用CCD攝像機進行拍攝，拍攝區(qū)域大小為20 cm X 20 cm.由于氣固噴嘴直徑僅為36 mm，為使該區(qū)域的流場觀察區(qū)*充滿CCD相機的畫面，將CCD相機放置在靠近風(fēng)洞側(cè)壁0 . 83 m距離的地面上，CCD相機離地面高度為l . 4 m.取距氣固噴嘴0 . 75 m和2 . 7 m處2個處于風(fēng)洞中心軸線處豎直截面進行PTV測試.由于PTV測試區(qū)域為距中心軸線上下l0 cm的方形區(qū)域，未能測試到整個風(fēng)洞截面.為此，同時對激光照亮的整個豎直截面用數(shù)碼相機進行拍照，通過照片來對結(jié)果進行補充說明，并且對這2處的PTV結(jié)果進行了處理.

4.實驗結(jié)果及分析
圖3a、圖4a和圖3b、圖4b分別給出距氣固噴嘴0 . 75 m和2 . 7 m處2個PTV豎直測試截面上中心軸線處20 cm X 20 cm區(qū)域內(nèi)砂塵顆粒濃度沿風(fēng)洞高度方向上的分布規(guī)律的擬合曲線及顆粒分布曲線，圖3c和圖4c是在2位置處對整個豎直截面上顆?？臻g分布進行拍攝的數(shù)碼照片.圖5和圖6上給出這2區(qū)域內(nèi)顆粒粒徑沿風(fēng)洞高度方向的空間分布規(guī)律擬合曲線
.l）從圖3a濃度曲線中可看出顆粒濃度在軸線附近有一個峰值，且顆粒分布不均，呈現(xiàn)出上下部分少中間多的態(tài)勢，說明在距氣固噴嘴0 . 75 m處砂塵顆粒多數(shù)聚集在軸線中心位置附近，這是由于顆粒剛由噴嘴噴出，還沒有來得及進行湍流擴散.由圖3b可知，峰值位于軸線上部約5 cm處，沿風(fēng)洞高度顆粒呈拋物線分布，即中間多上下兩邊少.而由圖3c中也可以得出在軸線偏上位置砂粒比較多的結(jié)論，而在風(fēng)洞靠近頂部和底部區(qū)域幾乎沒有砂粒存在.由于本實驗所用氣固噴嘴的上游，有一排插入的加沙管，使得風(fēng)洞內(nèi)氣流偏上，造成峰值偏于軸線上部；
2）圖4a表明，當(dāng)含砂氣固兩相流運動到第二截面，即距氣固噴嘴2 . 7 m處時，其峰值已基本消失，濃度曲線變得平坦.由圖4b可知，顆粒沿風(fēng)洞高度在擬和曲線附近波動，同時峰值已消失，顆粒在各高度之間分布顆粒數(shù)相當(dāng)，說明軸線上下部分顆粒已擴散均勻.從圖4c中也可以看出，顆粒幾乎布滿整個區(qū)域，說明顆粒的質(zhì)量彌散是很強烈的，顆粒在距氣固噴嘴2 . 7 m處已基本擴散開.這也證明了氣固湍流流動中確實存在著固體顆粒的擴散現(xiàn)象；
3）從圖5砂粒粒徑變化曲線中得出，在距氣固噴嘴0.75 m處的截面上，中間粒徑的砂粒集中在軸線部分，而粒徑偏大的顆粒處于區(qū)域的下部，大小粒徑的砂粒分布不均.而在圖6中可以看出，當(dāng)含砂氣固流場運動到距噴嘴2 . 7 m處時，顆粒的粒徑大小分布相對比較均勻.同時圖5和圖6
這2幅圖也顯示出流場中小粒子占據(jù)多數(shù)，而大顆粒較少的特點.以上充分說明，砂粒在距噴嘴0.75 m處軸線中心附近濃度zui大，且大粒徑顆粒區(qū)域下部zui多，而在距噴嘴2.7 m處這2個現(xiàn)象已基本消失，顆粒在整個區(qū)域分布相對比較均勻，而且大粒徑的顆粒也散布于整個空間區(qū)域內(nèi)，符合砂塵試驗的要求.圖6距噴嘴下游2. 7 m處顆粒粒徑隨風(fēng)洞高度濃度變化曲線。砂塵試驗設(shè)備