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軍用粉塵試驗(yàn)箱中粒子濃度場(chǎng)的測(cè)試
軍用粉塵試驗(yàn)箱利用中國(guó)科學(xué)院寒冷干旱研究所沙漠研究所風(fēng)沙環(huán)境室內(nèi)風(fēng)洞，采用激光粒子成像技術(shù)對(duì)沙塵環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備中噴嘴噴出的不同截面中心的含砂氣固兩相射流的粒子濃度場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量和分析，并與粒子空間分布的數(shù)碼照片進(jìn)行了對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在距離氣固噴嘴1m左右的截面上，沙粒還沒(méi)有擴(kuò)散到整個(gè)空間，在軸線附近有很多顆粒。而且大顆粒大部分位于較低區(qū)域，距離噴嘴下游僅3m左右，顆?；灸芊稚⒕鶆?，從而可以確定沙塵環(huán)境試驗(yàn)樣品的放置位置。得出沙塵試驗(yàn)設(shè)備的裝砂斷面應(yīng)保持在3m左右，以滿足國(guó)軍標(biāo)要求，為我國(guó)研制大型沙塵環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備和確定沙塵試驗(yàn)方法、參數(shù)、投料和試驗(yàn)斷面尺寸提供了依據(jù)。
沙塵環(huán)境是導(dǎo)致包括直升機(jī)在內(nèi)的許多軍事武器裝備失效的重要環(huán)境因素。廣泛分布的沙塵環(huán)境，嚴(yán)重影響著軍事裝備和直升機(jī)部件、系統(tǒng)以及機(jī)載設(shè)備的性能和可靠性。軍用武器裝備沙塵環(huán)境模擬試驗(yàn)是國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB150中規(guī)定的試驗(yàn)項(xiàng)目。12286.國(guó)內(nèi)還沒(méi)有能滿足包括直升機(jī)在內(nèi)的大型試件要求的大型沙塵試驗(yàn)設(shè)備。因此，迫切需要建立符合國(guó)軍標(biāo)技術(shù)要求的沙塵模擬環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備。其中，顆粒濃度、粒徑分布和沖擊降塵是沙塵試驗(yàn)中需要研究和確定的重要參數(shù)。分析上述參數(shù)實(shí)際上是研究氣固兩相流中顆粒速度場(chǎng)和濃度場(chǎng)的變化規(guī)律。根據(jù)國(guó)軍標(biāo)沙塵環(huán)境試驗(yàn)，含砂的氣固兩相流沖擊試樣時(shí)，沙粒的速度與氣流的速度基本相等。同時(shí)，沙粒近似均勻地懸浮在氣流中[1]。這些參數(shù)反映了氣固兩相流復(fù)雜的空間特性，難以用理論模型描述。只有將理論分析與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合，才能確定加砂方式、加砂段間距等砂塵設(shè)備的一些設(shè)計(jì)參數(shù)。
1實(shí)驗(yàn)裝置和方法
實(shí)驗(yàn)在中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所沙漠研究所風(fēng)沙環(huán)境室內(nèi)風(fēng)洞中進(jìn)行。這是一座長(zhǎng)16米的DC封閉式低速風(fēng)洞。23m，寬×高為1的矩形截面。0m× 0.6m，連續(xù)可調(diào)的進(jìn)氣軸指示風(fēng)速u ∞ = 1。5 ~ 35.0mps .風(fēng)洞為木質(zhì)框架結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)段的兩個(gè)側(cè)壁和頂部由鋼化玻璃的可移動(dòng)窗戶組成，而風(fēng)洞的底部由多層膠合板組成。如圖1所示，風(fēng)洞的主風(fēng)機(jī)為離心風(fēng)機(jī)，氣力輸送沙塵顆粒的氣源為空氣壓縮機(jī)，通過(guò)帶球閥的料斗將沙子加入輸送管道。其余包括料斗和輸送管道為塑料制品，氣固噴嘴為鋼制，膨脹比為26∶36，膨脹角為30°。
當(dāng)確定每個(gè)顆粒在圖像中的位置時(shí)，可以同時(shí)獲得顆粒尺寸和分布的信息。相比較而言，基于顆粒關(guān)聯(lián)的PTV技術(shù)更容易獲得整個(gè)流場(chǎng)的顆粒運(yùn)動(dòng)和顆粒形狀信息，因此PTV技術(shù)更適合研究沙塵環(huán)境試驗(yàn)中含砂量較稀的氣固兩相流場(chǎng)。
測(cè)量原理是:用激光片光源照射粒子濃度場(chǎng)，通過(guò)攝影系統(tǒng)將待研究區(qū)域的粒子濃度場(chǎng)完整記錄在底片上，然后對(duì)底片進(jìn)行基于粒子相關(guān)性的PTV技術(shù)處理[5]，通過(guò)圖像的灰度梯度識(shí)別粒子邊界，即從灰度中心點(diǎn)計(jì)算出粒子圖像灰度中心相鄰點(diǎn)之間的梯度值。然后，根據(jù)這些點(diǎn)，計(jì)算相鄰點(diǎn)的灰度梯度值。按照這種方法，直到粒子的邊緣，即粒子的邊緣點(diǎn)與背景之間的梯度值小于預(yù)設(shè)的閾值，并且該點(diǎn)及其相鄰點(diǎn)的灰度值接近背景的灰度值。這樣，找到每個(gè)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，也就是它包含了多少個(gè)像素點(diǎn)。根據(jù)單位像素表示的實(shí)際長(zhǎng)度，可以換算出顆粒的實(shí)際面積，然后將面積換算成相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)直徑，即不規(guī)則顆?？梢該Q算成標(biāo)準(zhǔn)球形顆粒直徑。
D=4 STπ，其中ST為不規(guī)則斑點(diǎn)的實(shí)際面積，單位為平方米(m2)；d是換算后的球形顆粒的標(biāo)準(zhǔn)直徑，單位為m，經(jīng)過(guò)這樣的計(jì)算和換算，就可以得到每個(gè)顆粒的標(biāo)準(zhǔn)直徑，根據(jù)搜索到的位置和大小對(duì)圖像中的顆粒進(jìn)行分類，就可以得到相應(yīng)流場(chǎng)中的顆粒大小和空間分布。
