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军用粉尘试验箱中粒子浓度场的测试

军用粉尘试验箱利用中国科学院寒冷干旱研究所沙漠研究所风沙环境室内风洞，采用激光粒子成像技术对沙尘环境试验设备中喷嘴喷出的不同截面中心的含砂气固两相射流的粒子浓度场进行了测量和分析，并与粒子空间分布的数码照片进行了对比。实验结果表明，在距离气固喷嘴1m左右的截面上，沙粒还没有扩散到整个空间，在轴线附近有很多颗粒。而且大颗粒大部分位于较低区域，距离喷嘴下游仅3m左右，颗粒基本能分散均匀，从而可以确定沙尘环境试验样品的放置位置。得出沙尘试验设备的装砂断面应保持在3m左右，以满足国军标要求，为我国研制大型沙尘环境试验设备和确定沙尘试验方法、参数、投料和试验断面尺寸提供了依据。
沙尘环境是导致包括直升机在内的许多军事武器装备失效的重要环境因素。广泛分布的沙尘环境，严重影响着军事装备和直升机部件、系统以及机载设备的性能和可靠性。军用武器装备沙尘环境模拟试验是国家军用标准GJB150中规定的试验项目。12286.国内还没有能满足包括直升机在内的大型试件要求的大型沙尘试验设备。因此，迫切需要建立符合国军标技术要求的沙尘模拟环境试验设备。其中，颗粒浓度、粒径分布和冲击降尘是沙尘试验中需要研究和确定的重要参数。分析上述参数实际上是研究气固两相流中颗粒速度场和浓度场的变化规律。根据国军标沙尘环境试验，含砂的气固两相流冲击试样时，沙粒的速度与气流的速度基本相等。同时，沙粒近似均匀地悬浮在气流中[1]。这些参数反映了气固两相流复杂的空间特性，难以用理论模型描述。只有将理论分析与实验研究相结合，才能确定加砂方式、加砂段间距等砂尘设备的一些设计参数。

1实验装置和方法
实验在中国科学院寒区旱区环境与工程研究所沙漠研究所风沙环境室内风洞中进行。这是一座长16米的DC封闭式低速风洞。23m，宽×高为1的矩形截面。0m× 0.6m，连续可调的进气轴指示风速u ∞ = 1。5 ~ 35.0mps .风洞为木质框架结构。实验段的两个侧壁和顶部由钢化玻璃的可移动窗户组成，而风洞的底部由多层胶合板组成。如图1所示，风洞的主风机为离心风机，气力输送沙尘颗粒的气源为空气压缩机，通过带球阀的料斗将沙子加入输送管道。其余包括料斗和输送管道为塑料制品，气固喷嘴为钢制，膨胀比为26∶36，膨胀角为30°。

当确定每个颗粒在图像中的位置时，可以同时获得颗粒尺寸和分布的信息。相比较而言，基于颗粒关联的PTV技术更容易获得整个流场的颗粒运动和颗粒形状信息，因此PTV技术更适合研究沙尘环境试验中含砂量较稀的气固两相流场。

测量原理是:用激光片光源照射粒子浓度场，通过摄影系统将待研究区域的粒子浓度场完整记录在底片上，然后对底片进行基于粒子相关性的PTV技术处理[5]，通过图像的灰度梯度识别粒子边界，即从灰度中心点计算出粒子图像灰度中心相邻点之间的梯度值。然后，根据这些点，计算相邻点的灰度梯度值。按照这种方法，直到粒子的边缘，即粒子的边缘点与背景之间的梯度值小于预设的阈值，并且该点及其相邻点的灰度值接近背景的灰度值。这样，找到每个粒子的边界后，就可以计算出该粒子在图像中所占的面积，也就是它包含了多少个像素点。根据单位像素表示的实际长度，可以换算出颗粒的实际面积，然后将面积换算成相应的标准直径，即不规则颗粒可以换算成标准球形颗粒直径。

D=4 STπ，其中ST为不规则斑点的实际面积，单位为平方米(m2)；d是换算后的球形颗粒的标准直径，单位为m，经过这样的计算和换算，就可以得到每个颗粒的标准直径，根据搜索到的位置和大小对图像中的颗粒进行分类，就可以得到相应流场中的颗粒大小和空间分布。

军用粉尘试验箱中粒子浓度场的测试