本发明涉及了一种激波管实验装置，尤其是涉及了一种气固两相激波管闪光X射线成像的实验装置和实验方法。
背景技术：
粒子的爆炸分散存在于各种各样的工程问题中，包括在非均匀爆炸中，其中固体粒子最初与爆炸物质混合在一起。在早期负载流中，固相粒子在具有复杂动力学的气固流动中密集分布。尽管过去几年对可压缩稠密气固流动的认识有所改善，但对粒子运输的更好理解需要来自稠密粒子场内的数据，这些粒子场对使用可见光的方法通常是光学不透明的，这导致在分析和观察稠密粒子场时不能得到较好的结果，现有实验技术难以同时解决粒子体积分数分布和激波结构的实验观测问题。
技术实现要素：
针对上述背景技术中所存在的问题，本发明的目的在于提供了一种气固两相激波管闪光X射线成像的实验装置和实验方法，进行了粒子幕体积分数分布瞬态测量和动态激波结构捕获，具体是在激波与稠密颗粒群相互作用期间利用闪光X射线成像系统同时得到瞬态粒子幕体积分数分布和动态激波结构，为可压缩稠密气固两相流提供了一种独特的流场特性测量的实验装置和方法。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：
一、一种气固两相激波管闪光X射线成像的实验装置：
装置包括多相激波管、闪光X射线成像系统和颗粒释放收集机构，多相激波管包括驱动段、被驱动段和观测段，颗粒释放收集机构安装在观测段，闪光X射线成像系统布置在观测段周围侧方；颗粒释放收集机构包括从上到下依次布置的颗粒储存室、闸阀和颗粒收集室，颗粒储存室下端开口和闸阀上端连接，闸阀下端经管段连通到观测段的顶端，观测段的底端连接颗粒收集室，颗粒收集室位于颗粒储存室正下方；颗粒储存室内装有粒子介质，打开闸阀粒子介质从颗粒储存室下落，下落过程中在观测段中形成粒子幕，最终落到颗粒收集室内；闪光X射线成像系统包括X射线发射器、X射线检测器和高速摄影仪；观测段两侧侧面开有通槽，通槽处安装有铝窗，X射线发射器布置在观测段其中一侧的铝窗侧方，X射线检测器和高速摄影仪布置在观测段另一侧的铝窗侧方，X射线发射器连接到X射线检测器；X射线发射器朝向观测段发射闪光X射线，透过观测段两侧的铝窗后被X射线检测器正面的探测端接收，高速摄影仪镜头朝向X射线检测器背面采集图像。
所述的驱动段主要由直径约100毫米的圆管制成，被驱动段主要由边长为89毫米的方管制成，多相激波管内被驱动气体初始状态为常温、大气环境压力，实验可执行的激波马赫数范围为1.1-2.4。
所述X射线发射器朝向观测段发射的闪光X射线对准铝窗正中心且垂直于铝窗表面。
初始的粒子幕位于闪光X射线的中心线在处于观测段中激波传播上游的一侧，粒子幕的中心和X射线发射器发射探头中心的连线与闪光X射线的中心线之间的夹角为1度。
所述的多相激波管内通过爆破隔膜爆破的方式产生激波。
二、一种气固两相激波管闪光X射线成像的实验方法：
采用上述装置，通过闸阀释放颗粒储存室的固体粒子介质，固体粒子介质依靠重力下落在观测段内产生粒子幕，激波管内打出激波与粒子幕相互作用，使用闪光X射线成像系统采集记录激波与粒子幕相互作用处的密集粒子场数据，实现不同时刻激波与粒子幕相互作用后粒子幕的体积分数。
所述闪光X射线成像系统采集记录激波与粒子幕相互作用处的密集粒子场数据，实现不同时刻激波与粒子幕相互作用后粒子幕的体积分数，具体是：
1)在粒子介质不下落不产生粒子幕的情况下，将玻璃片放置在观测段中，闪光X射线源具有广谱，通过校准来获得与粒子幕相互作用期间不同灰度值下的质量衰减系数A，校准是通过X射线穿透不同厚度的玻璃片探测来实现，具体为：
将15片厚度相同、长度从短到长依次布置的玻璃片堆叠形成15层玻璃，放置于观测段内，15片玻璃片以长度沿激波传播方向布置，15片玻璃片堆叠方向沿闪光X射线方向，通过X射线发射器朝向观测段发射闪光X射线，闪光X射线穿透15层玻璃，且透过堆叠后不同厚度的玻璃片后被X射线检测器接收探测到15个不同等级的X射线强度，然后采用以下公式根据15个不同等级的X射线强度进行分段拟合获得不同灰度值下的质量衰减系数A：
其中，I0表示发射的闪光X射线的强度，I’表示经过玻璃后被X射线检测器探测到的X射线的强度，I/I0表示灰度值；Ws表示闪光X射线穿过玻璃片的厚度；ρg是玻璃的密度，A是粒子介质的质量衰减系数(单位为厘米平方/克)，e为常数。
15个不同等级的X射线强度的强度范围在与粒子幕相互作用期间测量的强度范围相似。使用分段拟合后获得数据用于后续步骤进行基于强度选择A。
如果已知粒子介质的质量衰减系数、闪光X射线的波长和粒子介质的材料属性已知，则能够计算介质的翼展宽度。
2)粒子介质下落产生粒子幕，X射线发射器朝向观测段发射闪光X射线，激波管内打出激波与粒子幕相互作用，闪光X射线透过观测段两侧的铝窗后被X射线检测器正面的探测端接收，X射线检测器内部将闪光X射线成像转换为由网格点紧密排列组成的粒子场数字图像并呈现到显示端，高速摄影仪镜头朝向X射线检测器背面的显示端采集粒子场数字图像。
3)根据粒子场数字图像求取网格点的灰度值，获得激波传播方向上各处的灰度值，进而获得粒子幕的体积分数，具体为：
所述X射线检测器沿闪光X射线的两端分为探头端和显示端，X射线检测器的探头端探测获得由透过铝窗闪光X射线接收构成的X射线成像，X射线检测器内部将X射线成像转换为由网格点紧密排列组成的粒子场数字图像并呈现到显示端，其中每一个网格点代表了X射线检测器探头端的一块区域从铝窗接收X射线的灰度值表示。
将粒子场数字图像中的每列网格点的灰度值取算数平均，作为在激波传播方向上每处的灰度值，将每处的灰度值结合步骤1)获得的不同灰度值下的质量衰减系数A采用以下公式计算获得粒子幕沿激波传播方向上各处的体积分数：
其中，φ表示粒子场在沿激波传播方向(X方向)传播过程中的粒子体积分数，I0表示发射的闪光X射线的强度，I表示经过粒子幕后被X射线检测器探测到的X射线的强度，I/I0表示经过粒子幕的灰度值；w0为粒子幕的恒定翼展宽度；ρg是粒子介质的密度，A是粒子介质的质量衰减系数(单位为厘米平方/克)。
本发明的X射线发射器作为闪光X射线源能够提供单次闪光持续数十纳秒的强烈光束，基本上与流体实验中的激光诊断测量类似的方式“冻结”流动，对测量密集粒子场内的数据提供了新的手段。
尽管过去几年对可压缩稠密气固流动的认识有所改善，但对粒子运输的更好理解需要来自密集粒子场内的数据，这些粒子场对使用可见光的方法通常是光学不透明的。而本发明采用闪光X射线成像能够穿透致密的粒子场，闪光X射线源能够提供持续数十纳秒的强烈光束，基本上以与流体实验中的激光诊断测量类似的方式“冻结”流动，这使得在激波管实验中占据优势。
本发明具有的有益技术效果是：
本发明利用闪光X射线对观测段粒子幕的穿透，结合X射线检测器与高速摄影仪对激波与稠密颗粒幕相互作用时粒子幕的变化进行了捕捉，得到了不同时刻的体积分数，对分析和观察粒子幕变化的具体细节提供了新的有效方式。
附图说明
图1是多相激波管示意图。
图2是本发明的实验装置结构示意图。
图3为图2观测段中与闪光X成像系统的俯视图。
图4为实施例中采用15层玻璃片布置获得质量衰减系数的结构示意图。
图5为实施例获得的灰度值与质量衰减系数的分段拟合关系图。
图6为拍摄区域激波与粒子幕相互作用不同时刻的闪光X射线示意图。
图7为沿激波传播方向粒子体积分数结果图。
图中：1、X射线发射器，2、方管法兰，3、铝窗，4、颗粒收集室，5、方管法兰，6、X射线检测器，7、闸阀，8、颗粒储存室，9、高速摄影机，10、粒子幕，11、玻璃片。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明做进一步说明。
具体实施的装置包括多相激波管、闪光X射线成像系统1、6、9和颗粒释放收集机构，如图1所示，多相激波管包括驱动段、被驱动段和观测段。如图2所示，颗粒释放收集机构安装在观测段，闪光X射线成像系统1、6、9布置在观测段周围侧方。
如图2所示，颗粒释放收集机构包括从上到下依次沿同一竖直方向布置的颗粒储存室8、闸阀7和颗粒收集室4，颗粒储存室8下端开口和闸阀7上端连接，闸阀7下端经管段连通到观测段的顶端，观测段的底端连接颗粒收集室4，颗粒收集室4位于颗粒储存室8正下方；颗粒储存室8内装有粒子介质，打开闸阀7粒子介质从颗粒储存室8下落，下落过程中在观测段中形成粒子幕10，最终落到颗粒收集室4内。
如图2和图3所示，闪光X射线成像系统1、6、9包括X射线发射器1、X射线检测器6和高速摄影仪9；观测段两侧侧面开有通槽，通槽处安装有铝窗3，X射线发射器1布置在观测段其中一侧的铝窗3侧方，X射线检测器6和高速摄影仪9布置在观测段另一侧的铝窗3侧方，X射线发射器1连接到X射线检测器6；X射线发射器1朝向观测段发射闪光X射线，透过观测段两侧的铝窗3后被X射线检测器6正面的探测端接收，高速摄影仪9镜头朝向X射线检测器6背面采集图像。
观测段的两端安装有方管法兰2和方管法兰5，使得观测段的两端均通过方管法兰5连接被驱动段和出口段。
X射线发射器1朝向观测段发射的闪光X射线对准铝窗3正中心且垂直于铝窗3表面。
驱动段主要由直径约100毫米的圆管制成，被驱动段主要由边长为89毫米的方管制成，多相激波管内被驱动气体初始状态为常温、大气环境压力，实验可执行的激波马赫数范围为1.1-2.4。具体实施中，铝窗3的厚度为10mm。X射线检测器6与测试部分中心的距离大约8cm远，如图2中IOD长。X射线发射器1与测试部分中心的距离约为136cm远，如图2中SOD长。
初始的粒子幕10位于闪光X射线的中心线在处于观测段中激波传播上游的一侧，粒子幕10的流线中心和X射线发射器1发射探头中心的连线与闪光X射线的中心线之间的夹角为1度，以便粒子幕10在激波推动下向下游传播过程中进行记录。
具体实施中，如图2所示，建立三维直角坐标系，X轴平行于观测段激波传播方向，Z轴平行于X射线发射器1所发射的闪光X射线方向，Y轴方向平行于颗粒储存室8中的粒子下落方向。
本发明的实施例及其具体实施工作过程如下：
通过闸阀7释放颗粒储存室8的固体粒子介质，粒子介质采用钙钠玻璃制成的直径为100微米的钙钠球固体，粒子介质依靠重力下落在观测段内产生粒子幕10，多相激波管内通过爆破隔膜爆破的方式产生激波，在本实施例中，采用的激波马赫数为1.6。
与粒子幕10相互作用，使用闪光X射线成像系统1、6、9采集记录激波与粒子幕相互作用处的密集粒子场数据，实现不同时刻激波与粒子幕相互作用后粒子幕10的体积分数。
具体实施中，在观测段使用X射线检测器6对入射的闪光X射线进行成像，X射线检测器以距测试部分中心大约8cm远的距离连接到测试部分侧壁。该传感器使用钆氧化物闪烁器将X射线光子转化为可见的光子，这些光子用高速摄影捕捉，再利用千万网卡将高速摄影与计算机进行连接，使得计算机能对其进行控制，传递捕获、触发以及其他工作参数设置命令，高速摄影接受到捕获命令后，开始采集连续视频数据，并实时存储到摄像机内部的内存中，接到触发命令后，摄像机停止采集视频数据。通过专门设计的通讯卡的RS422接口接收测控系统发送过来的同步测控信息，由计算机通过PCI总线读入内存，经加工处理后存储到计算机硬盘上。
1)在粒子介质不下落不产生粒子幕且激波管内没有打出激波的情况下，将玻璃片放置在观测段中，通过校准来获得与粒子幕相互作用期间不同灰度值下的质量衰减系数A，具体为：
将15片厚度相同、每块玻璃片的厚度为0.96毫米，长度从短到长依次布置的玻璃片堆叠形成15层玻璃，放置于观测段内，此时粒子介质不下落不产生粒子幕且激波管内没有打出激波，15片玻璃片以长度沿激波传播方向布置，15片玻璃片在激波传播的上游一侧对齐，在激波传播的下游一侧延伸形成长度从短到长的布置，15片玻璃片堆叠方向沿闪光X射线方向，通过X射线发射器1朝向观测段发射闪光X射线，闪光X射线穿透15层玻璃，且透过堆叠后不同厚度的玻璃片后被X射线检测器6接收探测到15个不同等级的X射线强度，15个不同等级的X射线强度对应15种不同种厚度组合的玻璃片，然后采用以下公式根据15个不同等级的X射线强度进行分段拟合获得不同灰度值下的质量衰减系数A：
其中，I0表示发射的闪光X射线的强度，I表示经过玻璃后被X射线检测器6探测到的X射线的强度，I/I0表示灰度值；Ws是闪光X射线穿过玻璃片的厚度；ρg是玻璃的密度为2.52g/cm3，A是粒子介质的质量衰减系数单位为厘米平方/克，e为常数。
实施例中，对于分段拟合，获得的质量衰减系数A最高为0.135左右，最低为0.116。可见粒子幕的衰减与通过步阶梯楔的衰减类似，分段拟合比恒定拟合的结果更准确。
如图5所示，为X射线通过不同厚度的玻璃片来实现校准后的灰度值与衰减系数的关系图。从图5中可以看出，当得知灰度值后，即可得到相应的衰减系数A，根据公式即可求得粒子幕体积分数。
2)在粒子介质下落产生粒子幕10、激波管内打出马赫数大小为1.6的激波与粒子幕10相互作用的情况下，X射线发射器1朝向观测段发射闪光X射线，透过观测段两侧的铝窗3后被X射线检测器6正面的探测端接收，X射线检测器6内部将闪光X射线成像转换为由网格点紧密排列组成的粒子场数字图像并呈现到显示端，高速摄影仪9镜头朝向X射线检测器6背面的显示端采集粒子场数字图像。
如图6所示，图中的四张图分别为(a)激波与粒子幕相互作用前的初始粒子幕示意图。(b)激波与粒子幕相互作用时，t＝110μs粒子幕示意图。(c)激波与粒子幕相互作用时，粒子幕示意图(d)激波与粒子幕相互作用时，t＝280μs粒子幕示意图。其中虚线矩形表示测量体积分数轮廓的区域。
3)根据粒子场数字图像求取网格点的灰度值，获得激波传播方向(X方向)上各处的灰度值，进而获得粒子幕的体积分数，t＝180μs具体为：
具体实施中，粒子场数字图像均匀划分为20×1000的网格点，每一个网格点根据显示数据可得其灰度值。将粒子场数字图像中的每列网格点的灰度值取算数平均，作为在激波传播方向上每处的灰度值，将每处的灰度值结合步骤1)获得的不同灰度值下的质量衰减系数A采用以下公式计算获得粒子幕沿激波传播方向上各处的体积分数：
其中，φ表示粒子幕在沿激波传播方向(X方向)与激波相互作用过程中的粒子幕体积分数，I0表示发射的闪光X射线的强度，I表示经过粒子幕后被X射线检测器6探测到的X射线的强度，I/I0表示经过粒子幕的灰度值；w0为粒子幕的恒定翼展宽度；ρg是粒子介质的密度，A是粒子介质的质量衰减系数(单位为厘米平方/克)。
具体实施中，粒子介质采用的钙钠球的密度等于2.52g/cm3。
如图7为不同时刻粒子场内的体积分数结果。
从图7中可以看到，从t＝0μs的初始时刻到t＝280μs时刻，粒子幕的宽度随着粒子向下游移动而增大，峰值体积分数从22％下降到5％。随着时间的增加，该粒子幕以不对称的方式传播，在粒子幕的下游部分相对于上游部分体积分数梯度更大。例如，在t＝280μs时刻，上游侧(x＝3-13.5mm)的体积分数梯度约为0.0048/mm，而下游侧(x＝13.5-19mm)的体积分数梯度约为-0.0091/mm。
通过得到的粒子场内粒子幕体积分数的变化。由此可见，本发明能够用于观察和分析激波与粒子幕相互作用期间，密集粒子场内粒子运动的细节，为在可压缩、稠密的气固流中提供了一种独特的粒子运输视图。