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超音速气相流场中的气固两相流现象是两相流动中的重要研究课题之一。探究气固两间的作用机理不仅在学术上有着重要意义,而且在应用中也有着重要价值。
本文利用实验的方法,对超音速气固两相流场中固定单、两球颗粒模型的有效阻力和有效阻力系数变化规律做了系统的研究。本实验的可视化实验段设置于内径为200mm的水平激波管圆截面被驱动段尾部,间距可调的测试模型球被细金属丝固定于实验段内部。首先利用高速应变测试系统、动态测试分析仪、计算机以及自行设计的传感器固定装置等组成的测试系统,采集了固定颗粒模型的有效阻力所对应的动态压力P信号,然后利用推导的有效阻力计算公式与合理的数据处理方法,将动态压力P转换成了固定颗粒模型所受到的有效阻力和有效阻力系数。针对单球模型,实验获得了不同激波马赫数条件下有效阻力系数随颗粒雷诺数的变化规律;针对两球模型,实验着重研究了每球的有效阻力系数随球间距变化的规律。得出主要结论如下:
(1)设计了一套可以直接测量固定颗粒群模型有效阻力所对应动态压力P信号的装置,并推导了由动态压力P信号转化成有效阻力的表达式;
(2)对于单球模型,在较大激波马赫数工况下,钢球的有效阻力系数明显的表现出随着颗粒雷诺数的增大而减小的规律;
(3)对于两球模型,其中单个球的有效阻力系数首先随着无量纲间距H(表征两球间距的无量纲量)的增大而增大,然后又随着无量纲间距H增大而减小;
(4)通过实验比较发现单球模型的有效阻力系数与颗粒群中单个球的有效阻力系数差别极大,因此不能简单的将单球有效阻力系数模型直接应用到颗粒群中。
首先利用自行设计的装置测得了颗粒群模型有效阻力所对应的动态压力P信号,然后利用推导的由动态压力P信号转化成有效阻力的表达式得出了有效阻力值,实现了颗粒群有效阻力的直接测量。这是本课题研究中的创新点,为深入开展激波与颗粒群相互作用机理研究和建立更合理的颗粒群阻力系数模型,攻克了后续深入研究的关键难题。