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軍用粉塵試驗箱中粒子濃度場的測試

軍用粉塵試驗箱利用中國科學(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)對沙塵環(huán)境試驗設(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進(jìn)行了測量和分析，并與粒子空間分布的數(shù)碼照片進(jìn)行了對比。實驗結(jié)果表明，在距離氣固噴嘴1m左右的截面上，沙粒還沒有擴散到整個空間，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，顆粒基本能分散均勻，從而可以確定沙塵環(huán)境試驗樣品的放置位置。得出沙塵試驗設(shè)備的裝砂斷面應(yīng)保持在3m左右，以滿足國軍標(biāo)要求，為我國研制大型沙塵環(huán)境試驗設(shè)備和確定沙塵試驗方法、參數(shù)、投料和試驗斷面尺寸提供了依據(jù)。
沙塵環(huán)境是導(dǎo)致包括直升機在內(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部件、系統(tǒng)以及機載設(shè)備的性能和可靠性。軍用武器裝備沙塵環(huán)境模擬試驗是國家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB150中規(guī)定的試驗項目。12286.國內(nèi)還沒有能滿足包括直升機在內(nèi)的大型試件要求的大型沙塵試驗設(shè)備。因此，迫切需要建立符合國軍標(biāo)技術(shù)要求的沙塵模擬環(huán)境試驗設(shè)備。其中，顆粒濃度、粒徑分布和沖擊降塵是沙塵試驗中需要研究和確定的重要參數(shù)。分析上述參數(shù)實際上是研究氣固兩相流中顆粒速度場和濃度場的變化規(guī)律。根據(jù)國軍標(biāo)沙塵環(huán)境試驗，含砂的氣固兩相流沖擊試樣時，沙粒的速度與氣流的速度基本相等。同時，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驗研究相結(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)計參數(shù)。

1實驗裝置和方法
實驗在中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所沙漠研究所風(fēng)沙環(huán)境室內(nèi)風(fēng)洞中進(jìn)行。這是一座長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)。實驗段的兩個側(cè)壁和頂部由鋼化玻璃的可移動窗戶組成，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)機為離心風(fēng)機，氣力輸送沙塵顆粒的氣源為空氣壓縮機，通過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)確定每個顆粒在圖像中的位置時，可以同時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)更容易獲得整個流場的顆粒運動和顆粒形狀信息，因此PTV技術(shù)更適合研究沙塵環(huán)境試驗中含砂量較稀的氣固兩相流場。

測量原理是:用激光片光源照射粒子濃度場，通過攝影系統(tǒng)將待研究區(qū)域的粒子濃度場完整記錄在底片上，然后對底片進(jìn)行基于粒子相關(guān)性的PTV技術(shù)處理[5]，通過圖像的灰度梯度識別粒子邊界，即從灰度中心點計算出粒子圖像灰度中心相鄰點之間的梯度值。然后，根據(jù)這些點，計算相鄰點的灰度梯度值。按照這種方法，直到粒子的邊緣，即粒子的邊緣點與背景之間的梯度值小于預(yù)設(shè)的閾值，并且該點及其相鄰點的灰度值接近背景的灰度值。這樣，找到每個粒子的邊界后，就可以計算出該粒子在圖像中所占的面積，也就是它包含了多少個像素點。根據(jù)單位像素表示的實際長度，可以換算出顆粒的實際面積，然后將面積換算成相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)直徑，即不規(guī)則顆粒可以換算成標(biāo)準(zhǔn)球形顆粒直徑。

D=4 STπ，其中ST為不規(guī)則斑點的實際面積，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)過這樣的計算和換算，就可以得到每個顆粒的標(biāo)準(zhǔn)直徑，根據(jù)搜索到的位置和大小對圖像中的顆粒進(jìn)行分類，就可以得到相應(yīng)流場中的顆粒大小和空間分布。

軍用粉塵試驗箱中粒子濃度場的測試

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