激波的傳播、反射以及激波誘導的界面不穩(wěn)定性是可壓縮高速流動中的重要物理問題,受到了國內(nèi)外學者的廣泛關注,已有的工作對純氣體介質中的相關流動問題開展了大量研究,并對流動機理有了較清晰的認識。然而,在煤礦安全、雨中高速飛行器、固體燃料發(fā)動機等實際工程問題中,環(huán)境氣體常常伴隨有大量的固體懸浮顆粒(通常被稱為含灰氣體),懸浮顆粒會改變環(huán)境氣體的狀態(tài)和流動特性,使得含灰氣體的流動問題變得更為復雜。通常在含灰流動中,粒子的慣性遠大于氣體,從而產(chǎn)生粒子弛豫非平衡效應,在弛豫區(qū)氣體和粒子之間存在大量的動量和能量交換,嚴重影響流動的特征結構。本文采用基于非結構自適應網(wǎng)格的可壓縮兩相流程序對存在于含灰流動中的以上幾類典型物理問題進行了數(shù)值模擬,重點研究粒子弛豫非平衡效應對流動的影響。主要內(nèi)容如下:本文首先對在管流中固定位置處注入靜止固體粒子的可壓縮流動進行數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)在注入過程中粒子和氣體間持續(xù)的動量和能量交換會產(chǎn)生復雜的非定常波系。我們重點關注了流場和粒子的耦合過程,發(fā)現(xiàn)當改變注入粒子溫度和流場速度時,流場會產(chǎn)生不同類型和強度的非定常波,并通過求解流場中各區(qū)域的熱力學參數(shù),得到了不同流場速度和粒子溫度下各非定常波強度的相圖,從而定量解釋了物理參數(shù)變化引起非定常波的改變。本章的研究為后續(xù)二維空間中的復雜含灰流動問題研究打下了基礎。之后,本文研究了含灰激波在雙楔上的反射問題,發(fā)現(xiàn)粒子弛豫非平衡效應會改變含灰激波在后楔上反射的初始條件,從而影響激波反射的類型。研究發(fā)現(xiàn),若前楔的長度L1比粒子弛豫長度λ大,非平衡區(qū)域則非常小,平衡激波在反射過程中占據(jù)主導作用,此時的激波反射類型與純氣體情況類似,在不同的楔角下一共存在7種反射類型。對于L1比λ小的情況,非平衡效應顯著增加,含灰激波的三個部分(凍結激波、弛豫區(qū)域和平衡激波)分別主導了不同時期的反射過程,此時的反射過程遠比純氣體情況復雜,在不同的楔角下一共存在11種反射類型。本章的研究對非平衡激波在更復雜結構上的反射研究具有重要意義。最后,本文對平面激波與含灰氣柱的相互作用進行了一系列數(shù)值研究,考察了粒子弛豫非平衡效應對透射激波的速度、壓力峰值、弛豫距離以及氣柱界面的演化過程的影響。研究結果表明,隨著顆粒半徑的增大,柱形界面內(nèi)部氣體更接近凍結態(tài),透射激波的曲率越來越低,波陣面運動速度越來越快,弛豫區(qū)域逐漸增大,壓力峰值逐漸減小。特別地,在大粒子情況下,在演化后期流場中會出現(xiàn)顆粒界面與氣體界面分層、粒子從旋渦中逃逸等現(xiàn)象,且粒子半徑和旋渦強度的增大會加劇該現(xiàn)象的發(fā)生。
【學位單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：O35
【部分圖文】：

源中的內(nèi)燃機和核反應堆、運輸中的固體顆粒的管道輸送、化工中的流化床，??撹拌裝置和除濕干燥裝置、煤粉燃燒、宇航中的固體燃料火箭、環(huán)保中的除塵??裝置和空氣污染控制等等，如圖１．１所示。??密度、溫度和壓強在波陣面上發(fā)生突躍的壓縮波被稱為激波。在數(shù)學上，??通常認為激波的間斷面厚度為０，但是在實際情況中，其厚度與氣體分子平均??自由程同量級。激波在介質中的傳播、反射和折射受到了廣泛的關注，其中包??括激波反射在超聲速流動中的理論，實驗和數(shù)值研究［｜－５］，同時在工程中有著極??其廣泛的應用，特別是超聲速飛行器設計中，極其復雜的激波反射存在于超燃??沖壓發(fā)動機的各位部位，例如進氣道、燃燒室中。其反射類型和導致的流場條??件會直接影響飛行器的飛行效率。另外，其在爆炸研宄中特別是如何降低在不??同外形或者結構中的爆炸強度也有非常重要的應用價值。??自然界中

假定一個時間步內(nèi)結束碰撞過程。早期的研宄是Ｃａｍｐｂｅｌｌ和Ｂ出的基于粒子間瞬態(tài)對撞的硬粒子模型＠，５２１。雖然硬球模型不過其本人于２００２年發(fā)現(xiàn)滿足模型假設所需要達到流場剪切型適用性并非特別廣泛，只能模擬高速低濃度的氣粒兩相流。形狀顆粒碰撞的研究，Ｂａｔｃｈｅｌｏｒ？于１９７０年提出了細長體理論Ｉ５研究的圓柱形顆粒碰撞模型等等。??中存在大量細小的懸浮固體顆粒，被稱為含灰氣體。粒子與氣交換會顯著地改變氣體的流動狀態(tài)，同時也會改變粒子的分布含灰氣體在自然界中廣泛存在并且在工業(yè)中有很多應用，例如，核向其周圍大氣的蒸發(fā)現(xiàn)象，航天工程中欠膨脹噴管射流與迎的相互作用，還有高新技術應用中采用對撞射流噴霧器干燥顆于含灰氣體的研究主要集中于粒子體積分數(shù)可忽略的低濃度計算或者實驗對含灰流動的流場現(xiàn)象進行分析和解釋，特別對動的研宄近年來不斷發(fā)展。早期的研宄包括，Ｃａｒｒｉｅｒ在１９５８年了含灰流動中的控制方程［５６］。１９６２年Ｓａｆｆｍａｎ在理論上發(fā)現(xiàn)

圖１．４定常激波反射的彩色紋影圖：（ａ）規(guī)則反射，（ｂ）馬赫反射，圖片來自Ｂｅｎ－Ｄｏｒ專著??《Ｓｈｏｃｋ?Ｗａｖｅ?Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ?Ｐｈｅｎｏｍｅｎａ》⑷。??下這兩種準則在（Ｍ〇，?相圖上的曲線，圖１．６表示了在以空氣為介質的定常流??下，這兩種準則對ＲＲ和ＭＲ的預測曲線，在每條曲線的上方我們可以認為是??馬赫反射，在下方可以認為是規(guī)則反射，其中上方曲線代表了脫體準則，下方??曲線代表了力學平衡準則，在兩條曲線之間是一個雙解區(qū)，在這個區(qū)域既可能??出現(xiàn)規(guī)則反射，又可能出現(xiàn)馬赫反射。在定常激波反射中出現(xiàn)的遲滯現(xiàn)象反映??了這種情況［９８￣１（）１】，連續(xù)改變氣流偏角會導致在雙解區(qū)中的同一個角度上既發(fā)生??規(guī)則反射，又發(fā)生馬赫反射。斜激波關系具有多解導致了這種情況的出現(xiàn)，具??體到實際情況中出現(xiàn)哪一種反射類型，還要結合流場的歷史和邊界條件等來確??定。此外
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本文編號：2864966