發(fā)布時(shí)間：2020-11-01 03:27

　　 激波的傳播、反射以及激波誘導(dǎo)的界面不穩(wěn)定性是可壓縮高速流動(dòng)中的重要物理問題,受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注,已有的工作對(duì)純氣體介質(zhì)中的相關(guān)流動(dòng)問題開展了大量研究,并對(duì)流動(dòng)機(jī)理有了較清晰的認(rèn)識(shí)。然而,在煤礦安全、雨中高速飛行器、固體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)等實(shí)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(huì)改變環(huán)境氣體的狀態(tài)和流動(dòng)特性,使得含灰氣體的流動(dòng)問題變得更為復(fù)雜。通常在含灰流動(dòng)中,粒子的慣性遠(yuǎn)大于氣體,從而產(chǎn)生粒子弛豫非平衡效應(yīng),在弛豫區(qū)氣體和粒子之間存在大量的動(dòng)量和能量交換,嚴(yán)重影響流動(dòng)的特征結(jié)構(gòu)。本文采用基于非結(jié)構(gòu)自適應(yīng)網(wǎng)格的可壓縮兩相流程序?qū)Υ嬖谟诤�灰流�?dòng)中的以上幾類典型物理問題進(jìn)行了數(shù)值模擬,重點(diǎn)研究粒子弛豫非平衡效應(yīng)對(duì)流動(dòng)的影響。主要內(nèi)容如下:本文首先對(duì)在管流中固定位置處注入靜止固體粒子的可壓縮流動(dòng)進(jìn)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(dòng)量和能量交換會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的非定常波系。我們重點(diǎn)關(guān)注了流場(chǎng)和粒子的耦合過程,發(fā)現(xiàn)當(dāng)改變注入粒子溫度和流場(chǎng)速度時(shí),流場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生不同類型和強(qiáng)度的非定常波,并通過求解流場(chǎng)中各區(qū)域的熱力學(xué)參數(shù),得到了不同流場(chǎng)速度和粒子溫度下各非定常波強(qiáng)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(fù)雜含灰流動(dòng)問題研究打下了基礎(chǔ)。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(yīng)會(huì)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(zhǎng)度L1比粒子弛豫長(zhǎng)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(dǎo)作用,此時(shí)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(duì)于L1比λ小的情況,非平衡效應(yīng)顯著增加,含灰激波的三個(gè)部分(凍結(jié)激波、弛豫區(qū)域和平衡激波)分別主導(dǎo)了不同時(shí)期的反射過程,此時(shí)的反射過程遠(yuǎn)比純氣體情況復(fù)雜,在不同的楔角下一共存在11種反射類型。本章的研究對(duì)非平衡激波在更復(fù)雜結(jié)構(gòu)上的反射研究具有重要意義。最后,本文對(duì)平面激波與含灰氣柱的相互作用進(jìn)行了一系列數(shù)值研究,考察了粒子弛豫非平衡效應(yīng)對(duì)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(jié)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(jié)態(tài),透射激波的曲率越來越低,波陣面運(yùn)動(dòng)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(chǎng)中會(huì)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(qiáng)度的增大會(huì)加劇該現(xiàn)象的發(fā)生。
【學(xué)位單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：O35
【部分圖文】：

源中的內(nèi)燃機(jī)和核反應(yīng)堆、運(yùn)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(qiáng)在波陣面上發(fā)生突躍的壓縮波被稱為激波。在數(shù)學(xué)上，??通常認(rèn)為激波的間斷面厚度為０，但是在實(shí)際情況中，其厚度與氣體分子平均??自由程同量級(jí)。激波在介質(zhì)中的傳播、反射和折射受到了廣泛的關(guān)注，其中包??括激波反射在超聲速流動(dòng)中的理論，實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究［｜－５］，同時(shí)在工程中有著極??其廣泛的應(yīng)用，特別是超聲速飛行器設(shè)計(jì)中，極其復(fù)雜的激波反射存在于超燃??沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的各位部位，例如進(jìn)氣道、燃燒室中。其反射類型和導(dǎo)致的流場(chǎng)條??件會(huì)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(jié)構(gòu)中的爆炸強(qiáng)度也有非常重要的應(yīng)用價(jià)值。??自然界中

假定一個(gè)時(shí)間步內(nèi)結(jié)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(duì)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(shè)所需要達(dá)到流場(chǎng)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(xì)長(zhǎng)體理論Ｉ５研究的圓柱形顆粒碰撞模型等等。??中存在大量細(xì)小的懸浮固體顆粒，被稱為含灰氣體。粒子與氣交換會(huì)顯著地改變氣體的流動(dòng)狀態(tài)，同時(shí)也會(huì)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(yīng)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(shù)應(yīng)用中采用對(duì)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?jǐn)?shù)可忽略的低濃度計(jì)算或者實(shí)驗(yàn)對(duì)含灰流動(dòng)的流場(chǎng)現(xiàn)象進(jìn)行分析和解釋，特別對(duì)動(dòng)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(dòng)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?qū)Ｖ??《Ｓｈｏｃｋ?Ｗａｖｅ?Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ?Ｐｈｅｎｏｍｅｎａ》⑷。??下這兩種準(zhǔn)則在（Ｍ〇，?相圖上的曲線，圖１．６表示了在以空氣為介質(zhì)的定常流??下，這兩種準(zhǔn)則對(duì)ＲＲ和ＭＲ的預(yù)測(cè)曲線，在每條曲線的上方我們可以認(rèn)為是??馬赫反射，在下方可以認(rèn)為是規(guī)則反射，其中上方曲線代表了脫體準(zhǔn)則，下方??曲線代表了力學(xué)平衡準(zhǔn)則，在兩條曲線之間是一個(gè)雙解區(qū)，在這個(gè)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(huì)導(dǎo)致在雙解區(qū)中的同一個(gè)角度上既發(fā)生??規(guī)則反射，又發(fā)生馬赫反射。斜激波關(guān)系具有多解導(dǎo)致了這種情況的出現(xiàn)，具??體到實(shí)際情況中出現(xiàn)哪一種反射類型，還要結(jié)合流場(chǎng)的歷史和邊界條件等來確??定。此外
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