高速流动中粒子弛豫非平衡效应的数值研究

发布时间：2020-11-01 03:27

　　 激波的传播、反射以及激波诱导的界面不稳定性是可压缩高速流动中的重要物理问题,受到了国内外学者的广泛关注,已有的工作对纯气体介质中的相关流动问题开展了大量研究,并对流动机理有了较清晰的认识。然而,在煤矿安全、雨中高速飞行器、固体燃料发动机等实际工程问题中,环境气体常常伴随有大量的固体悬浮颗粒(通常被称为含灰气体),悬浮颗粒会改变环境气体的状态和流动特性,使得含灰气体的流动问题变得更为复杂。通常在含灰流动中,粒子的惯性远大于气体,从而产生粒子弛豫非平衡效应,在弛豫区气体和粒子之间存在大量的动量和能量交换,严重影响流动的特征结构。本文采用基于非结构自适应网格的可压缩两相流程序对存在于含灰流动中的以上几类典型物理问题进行了数值模拟,重点研究粒子弛豫非平衡效应对流动的影响。主要内容如下:本文首先对在管流中固定位置处注入静止固体粒子的可压缩流动进行数值模拟,发现在注入过程中粒子和气体间持续的动量和能量交换会产生复杂的非定常波系。我们重点关注了流场和粒子的耦合过程,发现当改变注入粒子温度和流场速度时,流场会产生不同类型和强度的非定常波,并通过求解流场中各区域的热力学参数,得到了不同流场速度和粒子温度下各非定常波强度的相图,从而定量解释了物理参数变化引起非定常波的改变。本章的研究为后续二维空间中的复杂含灰流动问题研究打下了基础。之后,本文研究了含灰激波在双楔上的反射问题,发现粒子弛豫非平衡效应会改变含灰激波在后楔上反射的初始条件,从而影响激波反射的类型。研究发现,若前楔的长度L1比粒子弛豫长度λ大,非平衡区域则非常小,平衡激波在反射过程中占据主导作用,此时的激波反射类型与纯气体情况类似,在不同的楔角下一共存在7种反射类型。对于L1比λ小的情况,非平衡效应显著增加,含灰激波的三个部分(冻结激波、弛豫区域和平衡激波)分别主导了不同时期的反射过程,此时的反射过程远比纯气体情况复杂,在不同的楔角下一共存在11种反射类型。本章的研究对非平衡激波在更复杂结构上的反射研究具有重要意义。最后,本文对平面激波与含灰气柱的相互作用进行了一系列数值研究,考察了粒子弛豫非平衡效应对透射激波的速度、压力峰值、弛豫距离以及气柱界面的演化过程的影响。研究结果表明,随着颗粒半径的增大,柱形界面内部气体更接近冻结态,透射激波的曲率越来越低,波阵面运动速度越来越快,弛豫区域逐渐增大,压力峰值逐渐减小。特别地,在大粒子情况下,在演化后期流场中会出现颗粒界面与气体界面分层、粒子从旋涡中逃逸等现象,且粒子半径和旋涡强度的增大会加剧该现象的发生。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O35
【部分图文】：

源中的内燃机和核反应堆、运输中的固体颗粒的管道输送、化工中的流化床，??撹拌装置和除湿干燥装置、煤粉燃烧、宇航中的固体燃料火箭、环保中的除尘??装置和空气污染控制等等，如图１．１所示。??密度、温度和压强在波阵面上发生突跃的压缩波被称为激波。在数学上，??通常认为激波的间断面厚度为０，但是在实际情况中，其厚度与气体分子平均??自由程同量级。激波在介质中的传播、反射和折射受到了广泛的关注，其中包??括激波反射在超声速流动中的理论，实验和数值研究［｜－５］，同时在工程中有着极??其广泛的应用，特别是超声速飞行器设计中，极其复杂的激波反射存在于超燃??冲压发动机的各位部位，例如进气道、燃烧室中。其反射类型和导致的流场条??件会直接影响飞行器的飞行效率。另外，其在爆炸研宄中特别是如何降低在不??同外形或者结构中的爆炸强度也有非常重要的应用价值。??自然界中

假定一个时间步内结束碰撞过程。早期的研宄是Ｃａｍｐｂｅｌｌ和Ｂ出的基于粒子间瞬态对撞的硬粒子模型＠，５２１。虽然硬球模型不过其本人于２００２年发现满足模型假设所需要达到流场剪切型适用性并非特别广泛，只能模拟高速低浓度的气粒两相流。形状颗粒碰撞的研究，Ｂａｔｃｈｅｌｏｒ？于１９７０年提出了细长体理论Ｉ５研究的圆柱形颗粒碰撞模型等等。??中存在大量细小的悬浮固体颗粒，被称为含灰气体。粒子与气交换会显著地改变气体的流动状态，同时也会改变粒子的分布含灰气体在自然界中广泛存在并且在工业中有很多应用，例如，核向其周围大气的蒸发现象，航天工程中欠膨胀喷管射流与迎的相互作用，还有高新技术应用中采用对撞射流喷雾器干燥颗于含灰气体的研究主要集中于粒子体积分数可忽略的低浓度计算或者实验对含灰流动的流场现象进行分析和解释，特别对动的研宄近年来不断发展。早期的研宄包括，Ｃａｒｒｉｅｒ在１９５８年了含灰流动中的控制方程［５６］。１９６２年Ｓａｆｆｍａｎ在理论上发现

图１．４定常激波反射的彩色纹影图：（ａ）规则反射，（ｂ）马赫反射，图片来自Ｂｅｎ－Ｄｏｒ专著??《Ｓｈｏｃｋ?Ｗａｖｅ?Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ?Ｐｈｅｎｏｍｅｎａ》⑷。??下这两种准则在（Ｍ〇，?相图上的曲线，图１．６表示了在以空气为介质的定常流??下，这两种准则对ＲＲ和ＭＲ的预测曲线，在每条曲线的上方我们可以认为是??马赫反射，在下方可以认为是规则反射，其中上方曲线代表了脱体准则，下方??曲线代表了力学平衡准则，在两条曲线之间是一个双解区，在这个区域既可能??出现规则反射，又可能出现马赫反射。在定常激波反射中出现的迟滞现象反映??了这种情况［９８￣１（）１】，连续改变气流偏角会导致在双解区中的同一个角度上既发生??规则反射，又发生马赫反射。斜激波关系具有多解导致了这种情况的出现，具??体到实际情况中出现哪一种反射类型，还要结合流场的历史和边界条件等来确??定。此外
【相似文献】

相关期刊论文 前6条

1 阮莹钰;;关于经典结构范型与心理平衡效应[J];黄河之声;2016年18期

2 龙云安;;基于中国-东盟自由贸易区产业集聚与平衡效应研究[J];世界经济研究;2013年01期

3 周浩;雷国平;张博;赵宇辉;张旭;董博文;;1990-2013年挠力河流域耕地变化下水土资源平衡效应分析[J];农业工程学报;2015年01期

4 张钢;陈佳乐;;公司治理、组织二元性与企业长短期绩效——基于中美两国上市公司面板数据的实证研究[J];浙江大学学报(人文社会科学版)预印本;2014年03期

5 白景坤;王健;;双元学习的平衡效应和交互效应与企业创新绩效[J];财经问题研究;2016年09期

6 张文君;任荣明;;中国对外直接投资的贸易平衡效应[J];首都经济贸易大学学报;2018年04期

相关博士学位论文 前1条

1 殷景岳;高速流动中粒子弛豫非平衡效应的数值研究[D];中国科学技术大学;2018年

相关硕士学位论文 前1条

1 周浩;耕地资源变化对区域水土资源平衡效应研究[D];东北农业大学;2015年

本文编号：2864966