10.2.1 静态抛撒条件下燃料分散模拟试验系统设计
图10-1为静态抛撒条件下燃料分散模拟试验系统。该系统由燃料分散装置、流程控制装置、高速摄像系统、双频超声复合云雾浓度检测系统、高速摄像系统、高压气供给装置组成，通过高速摄像系统实现双频超声复合浓度检测系统在静态抛撒条件下燃料浓度检测的可行性验证和标定。燃料分散装置形成云雾分散流场，通过同步控制装置，调整好云雾分散与高速摄像之间的时间差，高速摄像与燃料云雾发生装置可实现同步触发，即可运用高速摄像系统记录云雾的分散过程。该系统可使燃料分散的初始速度达到100～220m/s。
图10-1 静态抛撒条件下燃料分散模拟试验系统
10.2.1.1 燃料分散装置设计
燃料分散装置主要由激波管、喷嘴和储料装置组成。采用激波管是为了增加气固、气液以及气固液三相云雾的径向分散速度。
水平激波管是燃料云雾发生装置的动力源，产生脉冲，驱动燃料分散。激波管强度可通过提高驱动段压力或采用驱动能力更强的气体实现，也可通过降低被驱动段的压力获得试验所需的激波马赫数。本试验采用提高驱动段压力，模拟云雾抛撒的马赫数。激波段主要由驱动段和被驱动段（两者用一定厚度的膜片分隔）组成。驱动段冲入高压驱动气体，使驱动段和被驱动段具有一定的压力差，从而形成高压驱动段和低压被驱动段。当高压段不再充压时，高低压段的压差给膜片压力，达到承受的最大压力时膜片破裂（图10-2）。
图10-2 激波生成和传播原理图
如图10-2所示，当膜片破碎后，气体发生不定长运动。以膜片所在位置为坐标原点O，稀疏波冲向高压室一边，激波以超声速的常值速度U在低压端内的静止气体中向前运动。低压端中的气体质点在其被激波压缩之后，就以另一常值速度u（＜U）沿激波运动方向而运动。这个常值速度可以是亚声速、声速或超声速，它取决于初始的膜片压力比P0/P。
由于激波和稀疏波在高压段中传播时产生相互干扰，因此以激波管作为动力源，应减小非定长波相互干扰。采用铝制材料作为膜片，可以增加高压段气体压力和燃料分散速度。
根据静抛落速条件，试验希望得到激波马赫数Ma=2，利用文献提出的激波管性能图解法确定高、低压段的长度，依据马赫数的设定需求，确定拟定常流动的持续时间
与激波后拟定常流动的持续时间τ的比值为1.2，进行激波管的结构优化设计。如图10-3所示，高压段长30cm，低压段长270cm，高压段进气口采用电磁阀控制气量，这将有助于模拟动爆落速条件下气流装置的同步控制。
图10-3 云爆燃料静态抛撒落速下激波管结构设计示意图
10.2.1.2 燃料分散初始速度测量
燃料分散模拟试验中，依据外场实际云爆燃料静态抛撒的初始速度需求，试验中采取铝粉及玉米淀粉作为分散介质，对两种单片厚度为0.2mm、0.3mm的铝膜分别进行模拟燃料分散初始速度的单一和组合测试。
图10-4为高速摄影机拍摄的近场燃料分散云图。高速摄影机拍摄帧数设定为10000fps，通过近景拍摄测量激波管铝膜厚度为0.5mm（0.2mm厚铝膜与0.3mm厚铝膜叠加）时的燃料云雾分散初始速度，背景标尺的小方格的宽度为1cm。其中，图10-4（a）为高速摄影拍摄的不同时刻淀粉分散原始云图，可以看出当时间t=0.2ms时，云雾的分散距离为（4.4±0.1）cm，对应的燃料云雾分散初始速度为（220±5）m/s。由于图中云雾的分散边界难以确定，因此采用OpenCV-Python编程技术将原始云图处理成图10-4所示的二值图，以便易于确定云雾分散距离。由图10-4（b）可知当时间t=0.2ms时，云雾分散距离为（4.5±0.1）cm，对应的燃料云雾分散初始速度为（225±5）m/s。
图10-4 铝膜厚度为0.5 mm时淀粉与铝粉云雾分散速度图
（a）淀粉分散二值图；（b）铝粉分散二值图
采用相同测量方法，得到铝膜厚度为0.2mm、0.3mm、0.4mm（0.2mm厚铝膜与0.2mm原铝膜叠加）时铝粉分散的初始速度分别为102m/s、133m/s、180m/s，淀粉分散的初始速度分别为99m/s、135m/s/、185m/s。考虑到误差因素，淀粉与铝粉分散的初始速度标准偏差分别为2.7%、1.05%、2%。因此，最终取燃料分散初始速度分别为102m/s、133m/s、180m/s。上述模拟云爆抛撒的初始速度均大于100m/s，符合试验要求。图10-5所示为模拟云爆燃料静态抛撒条件下，燃料分散初始速度随时间变化的曲线。可以看出在空气阻力的作用下，燃料云雾分散速度逐渐降低，符合真实云爆燃料分散关系。
图10-5 静态抛撒条件下燃料分散初始速度随时间变化（彩图见附录）
10.2.1.3 储料装置及喷嘴
如图10-6所示，激波管低压段出口处连接的环形喷嘴采用拉瓦尔喷口设计。该喷口处与激波管之间的收缩段用来增加燃料分散的初始速度，喷嘴环形缝的调节范围为0～5cm，通过大量的试验验证环形缝的最佳宽度为5cm。
10.2.1.4 流程控制装置
为模拟静态抛撒条件下云爆燃料分散、高速摄影系统和双频超声复合燃料云雾浓度检测系统间的同步控制，设计了同步触发控制系统，可兼顾三者间的延时、燃料分散与气流终止功能。基于试验需求，设计1ms、10ms、100ms
图10-6 喷嘴及视图
（a）喷嘴；（b）左侧视图及前视图
三种分辨率的控制系统，模拟云爆燃料抛撒的不同持续时间。
10.2.1.5 高速摄影系统
高速摄影系统主要包括高速摄影机、图像采集控制终端、同步触发器。
（1）高速摄像机：模拟云爆抛撒具备的高动态特性。普通高速摄像机的采样频率和缓存大小均难以达到测量云雾所需的要求，本试验选择采样频率高、缓存大的高速摄像机。高速摄像机的型号为FASTCAM SA3系列，高拍摄速率达50万帧/s；同时配备三个200mW的LED强光源，以增强环境光照强度，提高摄像机拍摄帧数。拍摄到模拟云爆抛撒图像存储内存中，进行数据采集终端处理和浓度计算。
（2）图像采集控制终端：图像采集控制终端为计算机。计算机需安装与高速摄像机配套的采集控制软件OpenCV-Python，可完成对FASTCAM SA3系列高速数字摄像机的参数设置、数据采集，通过对图像进行二值化处理，得到模拟云爆抛撒的浓度特征。
（3）同步触发器：高速摄影系统与燃料分散装置通过同步触发器实现联动。调整好燃料分散装置与高速摄影之间的时间差，即可运用高速摄影系统记录燃料云雾的分散过程，为获取燃料云雾的真实形态提供保证。