激波与单/双球相互作用机理研究

【摘要】激波与固体颗粒群的相互作用普遍存在于超声速气固两相流中，涉及医疗卫生、清洁能源、材料表面处理、安全防控和航空航天等众多领域，具体应用如药物颗粒无针注射器、燃气轮机内气体超声速分离、脉冲式粉末灭火器、超音速冷喷涂、固体燃料助推器喷嘴等。本文工作主要目的是利用实验和数值模拟的方法研究激波与单/双球模型相互作用时非稳态曳力的机理和演变规律，本文的研究结果对于理解可压缩性气固两相流是不可或缺的。实验装置系统主要由包括加速度传感器、力传感器，高速数据采集系统、计算机等的力测量系统、高速摄影仪、Φ200mm内径大型水平激波管和可视化实验段组成。实验对象分为单球和双球两类，均采用Φ40mm直径模型球，驱动气体均为高压氮气。对于单球模型，实验变化参数为入射激波马赫数Ms（1.07－1.26），通过采用不同厚度铝膜（0.05－0.2mm）实现；对于双球模型，实验变化参数为Ms（1.07－1.26）和无量纲间距H（双球球心距离与球直径之比，1.0－3.0）。采用带通滤波技术对测量获得的高频加速度信号进行滤波处理，滤波上、下限基于各频级信号的频率分析确定。数值模拟的开展是基于由GAMBIT、FLUENT组成的CFD计算平台以及Tecplot、Origin等数据后处理软件。数值计算了单、双球模型实验条件下的激波诱导绕流流场，利用非稳态力的实验测量值和激波管流动理论值验证了CFD数值模拟方法的准确性，并进行了绕流场与非稳态曳力的依赖关系分析。本文工作的主要创新性成果包括：（1）首次利用力直接测量方法对激波加载双球模型时的非稳态曳力进行了实验测量；（2）自行设计了由大、小两半球通过螺旋副连接组成、可将高频加速度传感器内置的光滑外表面模型球，并利用直径仅为0.5mm的细铝合金线穿连固定模型球，有效克服了以往实验研究面临的非理想扰流问题，确保了测量数据的精确性；（3）通过模型球绕流场参数（速度、压力）、壁面应力分布（压应力、剪切应力）和非稳态曳力之间的变化依赖关系分析，揭示了单、双球非稳态曳力的机理和演变规律。本文研究的主要结论如下：（1）对于单球模型，入射激波在球前滞止点附近被模型球的反射、入射激波及其后跟随的小波在跨越球赤道环面后的衍射、激波在球后滞止点附近的聚焦以及球附近绕流场趋于稳定导致了曳力先急剧增大到峰值，再波动下降，可能出现负值，最终趋于稳定；曳力随激波马赫数的增大而增大，曳力系数随激波马赫数的增大而减小，非稳态曳力（系数）的峰值远远大于稳态值。（2）对于双球模型，双球的激波和尾迹涡结构存在相互干涉，使双球绕流场和相应的壁面压力、剪切应力分布不同于单球情形，相互干涉的程度则取决于相对间距，导致曳力系数随无量纲间距H的增大，先增大后减小，在H＝1.0时峰值最小，在H＝2.5附近达到最大峰值；激波马赫数越小，曳力系数峰值越大，曳力系数越难趋于稳定。（3）对于有运动激波存在的气固两相流，不能简单采用单球稳态曳力系数模型，需要分析不同球（固体颗粒）激波的波系结构以及可能的尾迹涡和湍流结构的相互干涉对非稳态曳力的影响程度。本项目为国家自然科学基金(51006091)资助项目。
【作者】黄保乾；
【导师】章利特；
【作者基本信息】浙江理工大学，流体机械及工程，2014，硕士
【关键词】激波；双球模型；无量纲间距；相互干涉；非稳态曳力系数；

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