砂塵試驗設備中顆粒濃度場的實驗研究

砂塵試驗設備中顆粒濃度場的實驗研究
砂塵環境是引起許多軍用武器設備，包括直升機失效的一個重要環境因素.廣泛分布的砂塵環境，對軍用設備及直升機的部件、系統和機載設備的性能及可靠性具有嚴重影響.對軍用武器裝備進 行 砂 塵 環 境 模 擬 試 驗 是 國 家 軍 用 標 準GJB150 . 12-86中規定的實驗項目.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備，因此建立滿足國軍標技術指標要求的砂塵模擬環境試驗設備是當務之急.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.分析上述參數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律.國軍標砂塵環境試驗中規定，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］.這些參數反映了氣固兩相流復雜的空間特性，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合的方法，才能確定砂塵設備中的一些設計參數，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院寒區旱區環境與工程研究所沙漠研究所室內風沙環境風洞進行的.它是一座直流閉口吹氣式低速風洞，實驗段長I6 . 23 m，實驗段矩型斷面為寬X高= I . 0 m X0 . 6 m，進口軸線指示風速! = I . 5 ~ 35 . 0 m/S，連續可調，風洞為木質框架結構，實驗段兩側壁和頂部由裝有鋼化玻璃的活動窗戶所構成，而風洞底部則由多層膠合板所組成.
1.實驗裝置即實驗方法
本實驗系統如圖I所示，風洞主風機是一臺離心風機，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.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氣固噴嘴沿軸向噴入實驗段主氣流內"測量原理

2.測量原理
激光粒子成像技術是在流場顯示的基礎上，利用近期高速發展的計算機圖像處理技術而發展起來的一種新的流動測量技術［2］.它突破了空間單點測量技術的局限性，從而實現了對整個流場的瞬態測量［3］.在流場測量技術中信號的處理主要有粒子成像測速技術PIV（Particie Image Veioci-metry）與粒子跟蹤測速技術PTV（Particie TracingVeiocimetry）2種算法［4］. PIV技術是基于圖像相關，而PTV技術是基于顆粒相關，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的PTV技術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技術更適合于研究砂塵環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，用照相系統把所要研究區域的顆粒濃度場*地記錄在底片上，然后用基于顆粒相關的PTV技術處理該底片［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，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先設定好的閾值，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的標準直徑，即將不規則的粒子折算成標準的球形粒子的直徑其中，#T是不規則光斑的實際面積，單位為m2；"是折算后球形粒子的標準直徑，單位為m.經過這樣的計算轉換，得到各粒子的標準直徑，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.實驗中風洞風速為20 m/S，氣固噴嘴噴速為25 m/S，風洞中砂粒質量濃度為2 . 2 g/m3，屬稀相氣固兩相流.實驗中對經氣固噴嘴噴出的含砂粒的氣固兩相流和風洞來流混合后的氣固兩相流進行測試研究.實驗開始前，將標有刻度的校準板置于觀察區域，用CCD相機拍攝下來，用于標定CCD的像素與實際測量范圍的換算關系.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，為使該區域的流場觀察區*充滿CCD相機的畫面，將CCD相機放置在靠近風洞側壁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個處于風洞中心軸線處豎直截面進行PTV測試.由于PTV測試區域為距中心軸線上下l0 cm的方形區域，未能測試到整個風洞截面.為此，同時對激光照亮的整個豎直截面用數碼相機進行拍照，通過照片來對結果進行補充說明，并且對這2處的PTV結果進行了處理.

4.實驗結果及分析
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區域內砂塵顆粒濃度沿風洞高度方向上的分布規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粒空間分布進行拍攝的數碼照片.圖5和圖6上給出這2區域內顆粒粒徑沿風洞高度方向的空間分布規律擬合曲線
.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，呈現出上下部分少中間多的態勢，說明在距氣固噴嘴0 . 75 m處砂塵顆粒多數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論，而在風洞靠近頂部和底部區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，使得風洞內氣流偏上，造成峰值偏于軸線上部；
2）圖4a表明，當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相當，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域，說明顆粒的質量彌散是很強烈的，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多數，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，且大粒徑顆粒區域下部zui多，而在距噴嘴2.7 m處這2個現象已基本消失，顆粒在整個區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域內，符合砂塵試驗的要求.圖6距噴嘴下游2. 7 m處顆粒粒徑隨風洞高度濃度變化曲線。砂塵試驗設備