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气固两相流现象在许多领域中普遍存在,相关基础研究对于粉末的无针注射、超音速冷喷涂、粉末灭火等技术研发和工程应用意义重大,所以研究激波诱导气相流场中的颗粒群输运规律具有较高的学术和实际应用价值。
本文利用实验和数值模拟相结合的方法,研究激波驱动下颗粒群加速运动规律。为了实现颗粒群加速效果的优化,实验基于现有的水平激波管装置设计加工了三种不同类型的喷嘴,分别针对亚音速、跨音速和超音速气流进行加速,值得注意的是,在设计喷嘴的过程中,采用了等熵计算与数值粘性修正相结合的方法。实验为了达到加速不同分区波后气流的效果,被驱动段后采用了两种管道连接方式。通过处理动态压力测量结果和高速摄影拍摄照片得到相关实验参数;通过改变驱动气体、铝膜厚度、颗粒粒径、装载比、喷嘴类型等因素,来定量比较和定性分析单个因素变量下的微米级颗粒群平均速度和平均加速度,从而总结出实验参数与颗粒群加速效果之间的关系。对于不同类型的喷嘴,当波后气流在喷嘴内得到持续加速时:随着铝膜厚度的增大,颗粒群的加速效果越来越好;不同驱动气体作用下,开始运动阶段氦气驱动下颗粒群加速效果比氮气下的好,但之后氮气驱动下颗粒群加速效果很快出现了反超的现象;当颗粒粒径增大到一定时,受到的惯性力作用较大,颗粒群的加速效果变好;随着装载比的减小,颗粒群的平均速度会逐渐增大,但平均加速度不会逐渐增大。
在数值计算方面,基于ANSYS FLUENT 13.0软件平台,采用其DPM模型考虑激波诱导气固两相流场中的相间相互作用,由于颗粒阻力系数是决定颗粒运动特性的一个关键因素,所以利用UDF自编程功能导入Henderson提出的颗粒阻力系数公式来计算颗粒的阻力。将数值计算结果与实验结果相比较,从而验证了所采用数值计算模型的可靠性,为今后验证激波驱动下固体颗粒群输运规律的数值研究奠定了基础。