砂塵試驗(yàn)設(shè)備中顆粒濃度場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)研究
砂塵環(huán)境是引起許多軍用武器設(shè)備，包括直升機(jī)失效的一個(gè)重要環(huán)境因素.廣泛分布的砂塵環(huán)境，對(duì)軍用設(shè)備及直升機(jī)的部件、系統(tǒng)和機(jī)載設(shè)備的性能及可靠性具有嚴(yán)重影響.對(duì)軍用武器裝備進(jìn) 行 砂 塵 環(huán) 境 模 擬 試 驗(yàn) 是 國 家 軍 用 標(biāo) 準(zhǔn)GJB150 . 12-86中規(guī)定的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目.我國還沒有能滿足包括直升機(jī)等大型試件的大型砂塵試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)中需要研究確定的重要參數(shù).分析上述參數(shù)實(shí)際上就是研究氣固兩相流中顆粒速度場(chǎng)以及濃度場(chǎng)的變化規(guī)律.國軍標(biāo)砂塵環(huán)境試驗(yàn)中規(guī)定，含砂氣固兩相流在撞擊試件時(shí)，砂粒的速度和氣流流速基本相等，同時(shí)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(shí)驗(yàn)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(jì)參數(shù)，如加砂方式和加砂段距離等!實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法本實(shí)驗(yàn)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(jìn)行的.它是一座直流閉口吹氣式低速風(fēng)洞，實(shí)驗(yàn)段長I6 . 23 m，實(shí)驗(yàn)段矩型斷面為寬X高= I . 0 m X0 . 6 m，進(jìn)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(shí)驗(yàn)段兩側(cè)壁和頂部由裝有鋼化玻璃的活動(dòng)窗戶所構(gòu)成，而風(fēng)洞底部則由多層膠合板所組成.
1.實(shí)驗(yàn)裝置即實(shí)驗(yàn)方法
本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖I所示，風(fēng)洞主風(fēng)機(jī)是一臺(tái)離心風(fēng)機(jī)，砂塵顆粒氣力輸送的氣源是一臺(tái)空壓機(jī)，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(kuò)型，收擴(kuò)比26 1 36，擴(kuò)張角30 .由空壓機(jī)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(shí)驗(yàn)段主氣流內(nèi)"測(cè)量原理

2.測(cè)量原理
激光粒子成像技術(shù)是在流場(chǎng)顯示的基礎(chǔ)上，利用近期高速發(fā)展的計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)而發(fā)展起來的一種新的流動(dòng)測(cè)量技術(shù)［2］.它突破了空間單點(diǎn)測(cè)量技術(shù)的局限性，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)流場(chǎng)的瞬態(tài)測(cè)量［3］.在流場(chǎng)測(cè)量技術(shù)中信號(hào)的處理主要有粒子成像測(cè)速技術(shù)PIV（Particie Image Veioci-metry）與粒子跟蹤測(cè)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(shí)間間隔計(jì)算出該顆粒的速度矢量，從而得到整個(gè)流場(chǎng)的速度分布.因此，在流場(chǎng)測(cè)試過程中在確定圖像中各粒子的位置時(shí)，同時(shí)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(gè)流場(chǎng)中顆粒的運(yùn)動(dòng)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(yàn)中稀相含砂氣固兩相流場(chǎng)，其原理如圖2所示.
其測(cè)定原理為：將顆粒濃度場(chǎng)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(chǎng)*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(jìn)行粒子邊界的識(shí)別，即從粒子圖像的灰度中心點(diǎn)出發(fā)，計(jì)算與灰度中心相鄰各點(diǎn)間的梯度值，然后又由這些點(diǎn)出發(fā)計(jì)算與其各自相鄰點(diǎn)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(diǎn)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(gè)點(diǎn)與其相鄰點(diǎn)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(jì)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(gè)象素點(diǎn)，根據(jù)單位象素點(diǎn)所代表的實(shí)際長度大小，可以換算出粒子的實(shí)際面積大小，然后將這個(gè)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(shí)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(jì)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(chǎng)中顆粒大小及空間分布情況.

3.實(shí)驗(yàn)過程
本砂塵試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)條件是按國軍標(biāo)進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中對(duì)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(jìn)行測(cè)試研究.實(shí)驗(yàn)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(jī)拍攝下來，用于標(biāo)定CCD的像素與實(shí)際測(cè)量范圍的換算關(guān)系.在測(cè)試時(shí)，用激光片光源照亮氣固噴嘴中心處與流動(dòng)方向平行的豎直截面，用CCD攝像機(jī)進(jìn)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(chǎng)觀察區(qū)*充滿CCD相機(jī)的畫面，將CCD相機(jī)放置在靠近風(fēng)洞側(cè)壁0 . 83 m距離的地面上，CCD相機(jī)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(gè)處于風(fēng)洞中心軸線處豎直截面進(jìn)行PTV測(cè)試.由于PTV測(cè)試區(qū)域?yàn)榫嘀行妮S線上下l0 cm的方形區(qū)域，未能測(cè)試到整個(gè)風(fēng)洞截面.為此，同時(shí)對(duì)激光照亮的整個(gè)豎直截面用數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行拍照，通過照片來對(duì)結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)充說明，并且對(duì)這2處的PTV結(jié)果進(jìn)行了處理.

4.實(shí)驗(yàn)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(gè)PTV豎直測(cè)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(duì)整個(gè)豎直截面上顆?？臻g分布進(jìn)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(gè)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(shì)，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(jìn)行湍流擴(kuò)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(shí)驗(yàn)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(yùn)動(dòng)到第二截面，即距氣固噴嘴2 . 7 m處時(shí)，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(dòng)，同時(shí)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(kuò)散均勻.從圖4c中也可以看出，顆粒幾乎布滿整個(gè)區(qū)域，說明顆粒的質(zhì)量彌散是很強(qiáng)烈的，顆粒在距氣固噴嘴2 . 7 m處已基本擴(kuò)散開.這也證明了氣固湍流流動(dòng)中確實(shí)存在著固體顆粒的擴(kuò)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(chǎng)運(yùn)動(dòng)到距噴嘴2 . 7 m處時(shí)，顆粒的粒徑大小分布相對(duì)比較均勻.同時(shí)圖5和圖6
這2幅圖也顯示出流場(chǎng)中小粒子占據(jù)多數(shù)，而大顆粒較少的特點(diǎn).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(gè)現(xiàn)象已基本消失，顆粒在整個(gè)區(qū)域分布相對(duì)比較均勻，而且大粒徑的顆粒也散布于整個(gè)空間區(qū)域內(nèi)，符合砂塵試驗(yàn)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(yàn)設(shè)備