激波與單-雙球相互作用機理研究.pdf

1、激波與固體顆粒群的相互作用普遍存在于超聲速氣固兩相流中，涉及醫(yī)療衛(wèi)生、清潔能源、材料表面處理、安全防控和航空航天等眾多領域，具體應用如藥物顆粒無針注射器、燃氣輪機內(nèi)氣體超聲速分離、脈沖式粉末滅火器、超音速冷噴涂、固體燃料助推器噴嘴等。
　　本文工作主要目的是利用實驗和數(shù)值模擬的方法研究激波與單/雙球模型相互作用時非穩(wěn)態(tài)曳力的機理和演變規(guī)律，本文的研究結果對于理解可壓縮性氣固兩相流是不可或缺的。
　　實驗裝置系統(tǒng)主要由包括加速

2、度傳感器、力傳感器，高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、計算機等的力測量系統(tǒng)、高速攝影儀、Φ200mm內(nèi)徑大型水平激波管和可視化實驗段組成。實驗對象分為單球和雙球兩類，均采用Φ40mm直徑模型球，驅(qū)動氣體均為高壓氮氣。對于單球模型，實驗變化參數(shù)為入射激波馬赫數(shù)Ms(1.07-1.26)，通過采用不同厚度鋁膜(0.05-0.2mm)實現(xiàn);對于雙球模型，實驗變化參數(shù)為Ms（1.07-1.26）和無量綱間距H（雙球球心距離與球直徑之比，1.0-3.0）。采用帶

3、通濾波技術對測量獲得的高頻加速度信號進行濾波處理，濾波上、下限基于各頻級信號的頻率分析確定。
　　數(shù)值模擬的開展是基于由GAMBIT、FLUENT組成的CFD計算平臺以及Tecplot、Origin等數(shù)據(jù)后處理軟件。數(shù)值計算了單、雙球模型實驗條件下的激波誘導繞流流場，利用非穩(wěn)態(tài)力的實驗測量值和激波管流動理論值驗證了CFD數(shù)值模擬方法的準確性，并進行了繞流場與非穩(wěn)態(tài)曳力的依賴關系分析。
　　本文工作的主要創(chuàng)新性成果包括:(1)

4、首次利用力直接測量方法對激波加載雙球模型時的非穩(wěn)態(tài)曳力進行了實驗測量;(2)自行設計了由大、小兩半球通過螺旋副連接組成、可將高頻加速度傳感器內(nèi)置的光滑外表面模型球，并利用直徑僅為0.5mm的細鋁合金線穿連固定模型球，有效克服了以往實驗研究面臨的非理想擾流問題，確保了測量數(shù)據(jù)的精確性;(3)通過模型球繞流場參數(shù)（速度、壓力）、壁面應力分布（壓應力、剪切應力）和非穩(wěn)態(tài)曳力之間的變化依賴關系分析，揭示了單、雙球非穩(wěn)態(tài)曳力的機理和演變規(guī)律。

5、r>　　本文研究的主要結論如下:
　　(1)對于單球模型，入射激波在球前滯止點附近被模型球的反射、入射激波及其后跟隨的小波在跨越球赤道環(huán)面后的衍射、激波在球后滯止點附近的聚焦以及球附近繞流場趨于穩(wěn)定導致了曳力先急劇增大到峰值，再波動下降，可能出現(xiàn)負值，最終趨于穩(wěn)定;曳力隨激波馬赫數(shù)的增大而增大，曳力系數(shù)隨激波馬赫數(shù)的增大而減小，非穩(wěn)態(tài)曳力（系數(shù)）的峰值遠遠大于穩(wěn)態(tài)值。
　　(2)對于雙球模型，雙球的激波和尾跡渦結構存在相互干