激波與單-雙球相互作用機(jī)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(lǐng)域，具體應(yīng)用如藥物顆粒無針注射器、燃?xì)廨啓C(jī)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(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法研究激波與單/雙球模型相互作用時(shí)非穩(wěn)態(tài)曳力的機(jī)理和演變規(guī)律，本文的研究結(jié)果對于理解可壓縮性氣固兩相流是不可或缺的。
　　實(shí)驗(yàn)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(jì)算機(jī)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(shí)驗(yàn)段組成。實(shí)驗(yàn)對象分為單球和雙球兩類，均采用Φ40mm直徑模型球，驅(qū)動(dòng)氣體均為高壓氮?dú)?。對于單球模型，?shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn);對于雙球模型，實(shí)驗(yàn)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(shù)對測量獲得的高頻加速度信號(hào)進(jìn)行濾波處理，濾波上、下限基于各頻級(jí)信號(hào)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(jì)算平臺(tái)以及Tecplot、Origin等數(shù)據(jù)后處理軟件。數(shù)值計(jì)算了單、雙球模型實(shí)驗(yàn)條件下的激波誘導(dǎo)繞流流場，利用非穩(wěn)態(tài)力的實(shí)驗(yàn)測量值和激波管流動(dòng)理論值驗(yàn)證了CFD數(shù)值模擬方法的準(zhǔn)確性，并進(jìn)行了繞流場與非穩(wěn)態(tài)曳力的依賴關(guān)系分析。
　　本文工作的主要?jiǎng)?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(shí)的非穩(wěn)態(tài)曳力進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測量;(2)自行設(shè)計(jì)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(xì)鋁合金線穿連固定模型球，有效克服了以往實(shí)驗(yàn)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(yīng)力分布（壓應(yīng)力、剪切應(yīng)力）和非穩(wěn)態(tài)曳力之間的變化依賴關(guān)系分析，揭示了單、雙球非穩(wěn)態(tài)曳力的機(jī)理和演變規(guī)律。

5、r>　　本文研究的主要結(jié)論如下:
　　(1)對于單球模型，入射激波在球前滯止點(diǎn)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(diǎn)附近的聚焦以及球附近繞流場趨于穩(wěn)定導(dǎo)致了曳力先急劇增大到峰值，再波動(dòng)下降，可能出現(xiàn)負(fù)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(yuǎn)遠(yuǎn)大于穩(wěn)態(tài)值。
　　(2)對于雙球模型，雙球的激波和尾跡渦結(jié)構(gòu)存在相互干