砂尘试验设备中颗粒浓度场的尝试钻研
砂尘环境是引起很多军用兵器设备，蕴含直升机失效的一个沉要环境成分.宽泛散布的砂尘环境，对军用设备及直升机的部件、系统和机载设备的机能及靠得住性拥有严沉影响.对军用兵器设备进 行 砂 尘 环 境 模 拟 试 验 是 国 家 军 用 标 准GJB150 . 12-86中划定的尝试项目.我国还没有能满足蕴含直升机等大型试件的大型砂尘试验设备，因而成立满足国军标技术指标要求的砂尘仿照环境试验设备是当务之急.其中颗粒浓度、粒径散布和撞击落尘是砂尘试验中必要钻研确定的沉要参数.分析上述参数现实上就是钻研气固两相流中颗粒速度场以及浓度场的变动法规.国军标砂尘环境试验中划定，含砂气固两相流在撞击试件时，砂粒的速度和气流流速根基相称，同时砂粒近似均匀地悬浮在气流中［I］.这些参数反映了气固两相流复杂的空间个性，难以通过理论模型来描述，只有选取理论分析与尝试钻研相结合的步骤，能力确定砂尘设备中的一些设计参数，如加砂方式和加砂段距离等!尝试装置及尝试步骤本尝试是在中国科学院寒区旱区环境与工程钻研所戈壁钻研所室内风沙环境风洞进行的.它是一座直流关口吹气式低速风洞，尝试段长I6 . 23 m，尝试段矩型断面为宽X高= I . 0 m X0 . 6 m，进口轴线批示风速! = I . 5 ~ 35 . 0 m/S，陆续可调，风洞为木质框架结构，尝试段两侧壁和顶部由装有钢化玻璃的活动窗户所组成，而风洞底部则由多层胶合板所组成.
1.尝试装置即尝试步骤
本尝试系统如图I所示，风洞主风机是一台离心风机，砂尘颗粒实力输送的气源是一台空压机，通过带有球阀的料斗将砂料参与到输送管路内.其余蕴含料斗及输送管路都是塑料制品，而气固喷嘴为钢材造成，收扩型，收扩比26 1 36，扩张角30 .由空压机出来的压缩空气将料斗的砂料通过输送管路经气固喷嘴沿轴向喷入尝试段主气流内"丈量道理

2.丈量道理
激光粒子成像技术是在流场显示的基础上，利用近期高速发展的推算机图像处置技术而发展起来的一种新的流动丈量技术［2］.它突破了空间单点丈量技术的局限性，从而实现了对整个流场的瞬态丈量［3］.在流场丈量技术中信号的处置重要有粒子成像测速技术PIV（Particie Image Veioci-metry）与粒子跟踪测速技术PTV（Particie TracingVeiocimetry）2种算法［4］. PIV技术是基于图像有关，而PTV技术是基于颗粒有关，它由2幅图像的功夫距离推算出该颗粒的速度矢量，从而得到整个流场的速度散布.因而，在流场测试过程中在确定图像中各粒子的地位时，同时还能够得到粒子尺寸及散布的信息，比力而言基于颗粒有关的PTV技术更容易获得整个流场中颗粒的活动情况及颗粒的状态信息，因而PTV技术更适合于钻研砂尘环境试验中稀相含砂气固两相流场，其道理如图2所示.
其测定道理为：将颗粒浓度场置于激光片光源的照射下，用拍照系统把所要钻研区域的颗粒浓度场*地纪录在底片上，而后用基于颗粒有关的PTV技术处置该底片［5］，由图像的灰度梯度来进行粒子天堑的鉴别，即从粒子图像的灰度中心点启程，推算与灰度中心相邻各点间的梯度值，而后又由这些点启程推算与其各自相邻点的灰度梯度值.按此步骤，直到粒子的边缘为止，即粒子边缘点与布景的梯度值幼于我们预先设定好的阈值，并且这个点与其相邻点的灰度值靠近于布景的灰度.这样，找到各粒子的天堑后，就能够推算出该粒子在图像中所占的面积的大幼，也就是说蕴含有几多个象素点，凭据单元象素点所代表的现实长度大幼，能够换算出粒子的现实面积大幼，而后将这个面积折算成相应的尺度直径，即将不规定的粒子折算成尺度的球形粒子的直径其中，#T是不规定光斑的现实面积，单元为m2
；"是折算后球形粒子的尺度直径，单元为m.经过这样的推算转换，得到各粒子的尺度直径，就能够将图像中的粒子按搜索的地位和尺寸大幼分类，因而就得到了相应流场中颗粒大幼及空间散布情况.

3.尝试过程
本砂尘试验尝试前提是按国军标进行的，所用的砂料全数是石英砂，密度为2 600 kg/m3，直径为I50 ~850"m，均匀粒径为377"m.尝试中风洞风速为20 m/S，气固喷嘴喷速为25 m/S，风洞中砂粒质量浓度为2 . 2 g/m3，属稀相气固两相流.尝试中对经气固喷嘴喷出的含砂粒的气固两相流微风洞来流混合后的气固两相流进行测试钻研.尝试起头前，将标有刻度的校准板置于观察区域，用CCD相机拍摄下来，用于标定CCD的像素与现实丈量领域的换算关系.在测试时，用激光片光源照亮气固喷嘴中心处与流动方向平行的竖直截面，用CCD摄像机进行拍摄，拍摄区域大幼为20 cm X 20 cm.由于气固喷嘴直径仅为36 mm，为使该区域的流场观察区*充斥CCD相机的画面，将CCD相机搁置在靠近风洞侧壁0 . 83 m距离的地面上，CCD相机离地面高度为l . 4 m.取距气固喷嘴0 . 75 m和2 . 7 m处2个处于风洞中心轴线处竖直截面进行PTV测试.由于PTV测试区域为距中心轴线高低l0 cm的方形区域，未能测试到整个风洞截面.为此，同时对激光照亮的整个竖直截面用数码相机进行拍照，通过照片来对了局进行补充注明，并且对这2处的PTV了局进行了处置.

4.尝试了局及分析
图3a、图4a和图3b、图4b别离给出距气固喷嘴0 . 75 m和2 . 7 m处2个PTV竖直测试截面上中心轴线处20 cm X 20 cm区域内砂尘颗粒浓度沿风洞高度方向上的散布法规的拟合曲线及颗粒散布曲线，图3c和图4c是在2地位处对整个竖直截面上颗？占渖⒉冀信纳愕氖胝掌.图5和图6上给出这2区域内颗粒粒径沿风洞高度方向的空间散布法规拟合曲线
.l）从图3a浓度曲线中可看出颗粒浓度在轴线左近有一个峰值，且颗粒散布不均，出现出高低部门少中央多的态势，注明在距气固喷嘴0 . 75 m处砂尘颗粒无数荟萃在轴线中心地位左近，这是由于颗粒刚由喷嘴喷出，还没有来得及进行湍流扩散.由图3b可知，峰值位于轴线上部约5 cm处，沿风洞高度颗粒呈抛物线散布，即中央多高低双方少.而由图3c中也能够得出在轴线偏上地位砂粒比力多的结论，而在风洞靠近顶部和底部区域险些没有砂粒存在.由于本尝试所用气固喷嘴的上游，有一排插入的加沙管，使得风洞内气流偏上，造成峰值偏于轴线上部
；
2）图4a批注，当含砂气固两相流活动到第二截面，即距气固喷嘴2 . 7 m处时，其峰值已根基隐没，浓度曲线变得平展.由图4b可知，颗粒沿风洞高度在拟和曲线左近颠簸，同时峰值已隐没，颗粒在各高度之间散布颗粒数相当，注明轴线高低部门颗粒已扩散均匀.从图4c中也能够看出，颗粒险些布满整个区域，注明颗粒的质量弥散是很强烈的，颗粒在距气固喷嘴2 . 7 m处已根基扩散开.这也证了然气固湍流流动中的确存在着固体颗粒的扩散景象
；
3）从图5砂粒粒径变动曲线中得出，在距气固喷嘴0.75 m处的截面上，中央粒径的砂粒集中在轴线部门，而粒径偏大的颗粒处于区域的下部，大幼粒径的砂粒散布不均.而在图6中能够看出，当含砂气固流场活动到距喷嘴2 . 7 m处时，颗粒的粒径大幼散布相对比力均匀.同时图5和图6
这2幅图也显示出流场中幼粒子占据无数，而大颗粒较少的特点.以上充分注明，砂粒在距喷嘴0.75 m处轴线中心左近浓度zui大，且大粒径颗粒区域下部zui多，而在距喷嘴2.7 m处这2个景象已根基隐没，颗粒在整个区域散布相对比力均匀，并且大粒径的颗粒也散布于整个空间区域内，切合砂尘试验的要求.图6距喷嘴下游2. 7 m处颗粒粒径随风洞高度浓度变动曲线。砂尘试验设备