砂尘试验设备中颗粒浓度场的实验研究

砂尘试验设备中颗粒浓度场的实验研究
砂尘环境是引起许多军用武器设备，包括直升机失效的一个重要环境因素.广泛分布的砂尘环境，对军用设备及直升机的部件、系统和机载设备的性能及可靠性具有严重影响.对军用武器装备进 行 砂 尘 环 境 模 拟 试 验 是 国 家 军 用 标 准GJB150 . 12-86中规定的实验项目.我国还没有能满足包括直升机等大型试件的大型砂尘试验设备，因此建立满足国军标技术指标要求的砂尘模拟环境试验设备是当务之急.其中颗粒浓度、粒径分布和撞击落尘是砂尘试验中需要研究确定的重要参数.分析上述参数实际上就是研究气固两相流中颗粒速度场以及浓度场的变化规律.国军标砂尘环境试验中规定，含砂气固两相流在撞击试件时，砂粒的速度和气流流速基本相等，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特性，难以通过理论模型来描述，只有采用理论分析与实验研究相结合的方法，才能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!实验装置及实验方法本实验是在中国科学院寒区旱区环境与工程研究所沙漠研究所室内风沙环境风洞进行的.它是一座直流闭口吹气式低速风洞，实验段长I6 . 23 m，实验段矩型断面为宽X高= I . 0 m X0 . 6 m，进口轴线指示风速! = I . 5 ~ 35 . 0 m/S，连续可调，风洞为木质框架结构，实验段两侧壁和顶部由装有钢化玻璃的活动窗户所构成，而风洞底部则由多层胶合板所组成.
1.实验装置即实验方法
本实验系统如图I所示，风洞主风机是一台离心风机，砂尘颗粒气力输送的气源是一台空压机，通过带有球阀的料斗将砂料加入到输送管道内.其余包括料斗及输送管路都是塑料制品，而气固喷嘴为钢材制成，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实验段主气流内"测量原理

2.测量原理
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计算机图像处理技术而发展起来的一种新的流动测量技术［2］.它突破了空间单点测量技术的局限性，从而实现了对整个流场的瞬态测量［3］.在流场测量技术中信号的处理主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技术是基于图像相关，而PTV技术是基于颗粒相关，它由2幅图像的时间间隔计算出该颗粒的速度矢量，从而得到整个流场的速度分布.因此，在流场测试过程中在确定图像中各粒子的位置时，同时还可以得到粒子尺寸及分布的信息，比较而言基于颗粒相关的PTV技术更容易获得整个流场中颗粒的运动情况及颗粒的形状信息，因而PTV技术更适合于研究砂尘环境试验中稀相含砂气固两相流场，其原理如图2所示.
其测定原理为：将颗粒浓度场置于激光片光源的照射下，用照相系统把所要研究区域的颗粒浓度场*地记录在底片上，然后用基于颗粒相关的PTV技术处理该底片［5］，由图像的灰度梯度来进行粒子边界的识别，即从粒子图像的灰度中心点出发，计算与灰度中心相邻各点间的梯度值，然后又由这些点出发计算与其各自相邻点的灰度梯度值.按此方法，直到粒子的边缘为止，即粒子边缘点与背景的梯度值小于我们预先设定好的阈值，而且这个点与其相邻点的灰度值接近于背景的灰度.这样，找到各粒子的边界后，就可以计算出该粒子在图像中所占的面积的大小，也就是说包含有多少个象素点，根据单位象素点所代表的实际长度大小，可以换算出粒子的实际面积大小，然后将这个面积折算成相应的标准直径，即将不规则的粒子折算成标准的球形粒子的直径其中，#T是不规则光斑的实际面积，单位为m2；"是折算后球形粒子的标准直径，单位为m.经过这样的计算转换，得到各粒子的标准直径，就可以将图像中的粒子按搜索的位置和尺寸大小分类，于是就得到了相应流场中颗粒大小及空间分布情况.

3.实验过程
本砂尘试验实验条件是按国军标进行的，所用的砂料全部是石英砂，密度为2 600 kg/m3，直径为I50 ~850"m，平均粒径为377"m.实验中风洞风速为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.实验中对经气固喷嘴喷出的含砂粒的气固两相流和风洞来流混合后的气固两相流进行测试研究.实验开始前，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的像素与实际测量范围的换算关系.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，拍摄区域大小为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*充满CCD相机的画面，将CCD相机放置在靠近风洞侧壁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上下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，通过照片来对结果进行补充说明，并且对这2处的PTV结果进行了处理.

4.实验结果及分析
图3a、图4a和图3b、图4b分别给出距气固喷嘴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分布规律的拟合曲线及颗粒分布曲线，图3c和图4c是在2位置处对整个竖直截面上颗粒空间分布进行拍摄的数码照片.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分布规律拟合曲线
.l）从图3a浓度曲线中可看出颗粒浓度在轴线附近有一个峰值，且颗粒分布不均，呈现出上下部分少中间多的态势，说明在距气固喷嘴0 . 75 m处砂尘颗粒多数聚集在轴线中心位置附近，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分布，即中间多上下两边少.而由图3c中也可以得出在轴线偏上位置砂粒比较多的结论，而在风洞靠近顶部和底部区域几乎没有砂粒存在.由于本实验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表明，当含砂气固两相流运动到第二截面，即距气固喷嘴2 . 7 m处时，其峰值已基本消失，浓度曲线变得平坦.由图4b可知，颗粒沿风洞高度在拟和曲线附近波动，同时峰值已消失，颗粒在各高度之间分布颗粒数相当，说明轴线上下部分颗粒已扩散均匀.从图4c中也可以看出，颗粒几乎布满整个区域，说明颗粒的质量弥散是很强烈的，颗粒在距气固喷嘴2 . 7 m处已基本扩散开.这也证明了气固湍流流动中确实存在着固体颗粒的扩散现象；
3）从图5砂粒粒径变化曲线中得出，在距气固喷嘴0.75 m处的截面上，中间粒径的砂粒集中在轴线部分，而粒径偏大的颗粒处于区域的下部，大小粒径的砂粒分布不均.而在图6中可以看出，当含砂气固流场运动到距喷嘴2 . 7 m处时，颗粒的粒径大小分布相对比较均匀.同时图5和图6
这2幅图也显示出流场中小粒子占据多数，而大颗粒较少的特点.以上充分说明，砂粒在距喷嘴0.75 m处轴线中心附近浓度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个现象已基本消失，颗粒在整个区域分布相对比较均匀，而且大粒径的颗粒也散布于整个空间区域内，符合砂尘试验的要求.图6距喷嘴下游2. 7 m处颗粒粒径随风洞高度浓度变化曲线。砂尘试验设备