不规则砂尘的气动力特性研究

发布时间：2020-08-21 23:57

【摘要】：惯性式粒子分离器作为直升机在砂尘环境下的进气防护装置,对延长涡轴发动机的使用寿命至关重要。在以往的粒子分离器设计过程中,往往将砂尘颗粒简化为理想圆球,或者使用经验公式求解砂尘的阻力系数,而这些经验公式存在着很大误差。为了能够更为准确得预测砂尘轨迹,本文着眼于自然界中有着不规则形貌的砂尘颗粒,研究砂尘颗粒在不同流场条件下的受力。首先,使用激光衍射法测定了美军标测试砂AC砂与C砂的粒径分布,结合粒子分离器流道内的速度分布,估算出了粒子分离器内砂尘运动的雷诺数范围。根据粒径分布曲线,AC砂的主要粒径分布范围为30~100um,C砂粒径分布范围为140~400um。使用显微图像法分析了砂尘颗粒的投影截面,使用形状因子圆度与长宽比描述砂尘的形貌特征。结果表明,砂尘颗粒的形状明显区别于理想圆球,砂尘多为棱角明显的非规则颗粒。根据观察到的投影形状,结合高度方向上的假设,本文给出了几种简化的砂尘模型。其次,对上文给出的几种简化几何模型的绕流流场进行数值仿真研究,研究了它们在不同雷诺数、不同攻角下的绕流流场,并计算了相应的阻力系数。不同形状的颗粒阻力系数随雷诺数变化的整体趋势一致,即随着雷诺数的增加,阻力系数逐渐降低。高雷诺数下,攻角对于阻力系数的影响更为明显。若所有颗粒均以最大迎风面积正对来流,那么阻力系数随着颗粒球形度的减小而增大,意味着颗粒的形状越不规则,其阻力系数越大。最后,采用均质的普通方块和非均质的拼接方块进行了沉降实验研究。实验结果表明,普通方块随着雷诺数的增加,会依次经历稳定、摇晃和翻滚三种沉降状态。在低雷诺数下,均质方块以随机的角度稳定沉降,因此无法通过实验获得固定角度下的阻力系数。而拼接方块由于偏心力矩的作用,在低雷诺数下以固定角度稳定沉降。此外,拼接方块不稳定运动的幅度大幅减小,其在高雷诺数范围内的沉降阻力系数也显著低于普通方块。对于以固定角度稳定沉降的拼接方块,其阻力系数与本文仿真得到的数据相吻合,表明拼接颗粒可以用于沉降实验中测定固定角度下的阻力系数。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V275.1
【图文】：

粒子分离器,整体式,惯性,砂尘

不规则砂尘的气动力特性研究离器中的颗粒两相流问题有如下特点：首先，粒子分离器中的气流流速较高，考虑到砂尘径分布，因此粒子分离器中颗粒雷诺数分散一个极其宽广的范围内；其次，实际砂尘多为则非球形颗粒，其气动力特性与标准圆球相去甚远，往往存在着不可忽略的侧向力作用；，砂尘在粒子分离器内会与壁面发生碰撞，反弹后的砂尘高速旋转，旋转使得砂尘的运动复杂。在目前的粒子分离器设计过程中，往往将砂尘简化为圆球颗粒，这样的做法忽略了形状、气流攻角、颗粒旋转对运动轨迹的影响，显然与实际情况存在着很大差异。为此，不规则砂尘在气流中的气动力特性，建立准确的气动力系数经验公式，成为预测砂尘在流运动轨迹的关键。

显微镜图像,煤粉颗粒,球形度

图 1.2 煤粉颗粒的显微镜图像[10]11]中给出了一个广泛使用的形状参数“体积形状因子”3/Ak V d实体积， = √4 P/ 为投影面积等效球直径， P为决于其方位角，因此这个参数往往难以确定。Clift[12数值的情况下估算的大小。球形度的定义：/V A A粒相同体积圆球的表面积，为颗粒的真实表面积。球大小。根据定义，对于一个标准圆球而言，其球形度用于描述等轴多面体的形状特征，球形度被认为是最。然而从实际应用的角度出发，对于形状极其不规则面积存在着很多困难，为此 Wadell 在文[15]中给出了

圆球,阻力系数,实验数据

图 1.3 圆球阻力系数实验数据[50]场中旋转的情况，由于 Magnus 效应的存在，会使得圆向力。Maccoll[56]、Davis[57]、Tani[58]、Tanaka[59]等人利用风的升力大小。Barkle 和 Auchterlonie[60]、Tsuji 等[61]、Oe动轨迹推算出相应的 Magnus 力的大小，涉及的雷诺数范ose 和 Kmori[64]则通过数值仿真的方法分别研究了 Re 4流中的流场情况。的工业生产中，涉及到的大部分颗粒并非标准圆球。对应用中更为关心的部分。然而由于非球形颗粒的绕流流作开展得相对较少，对于很多问题还是不甚清楚。相当验手段获得的。表 1.1 中列出了部分整理的实验数据来ta、Panigrahi和Muralidhar[75]实验研究了方柱在不同来流力系数最低。Ku 和 Lin[76]的研究则发现相同流动条件要快。Delidis 和 Stamatoudis[77]的对比研究发现球形颗粒

【参考文献】