基于激波管装置的固体颗粒群输运技术研究

激波诱导的气固两相流动是常见物理现象，以粉末药物的无针注射、热加工工艺中的超声速冷喷涂、粉末灭火等为代表的工程应用与之密切相关。本项目采用颗粒群受力直接测量方法结合量纲理论建立新的颗粒群阻力系数模型，并进行数值模拟工作，要展开的研究内容主要包括：（1）激波与固体颗粒群相互作用时颗粒群所受非稳态曳力的产生和变化的机理研究；（2）颗粒群阻力系数模型准确性验证实验以及激波诱导的气固两相流场特性和运动激波特性实验研究；（3）激波诱导的气固两相流场特性的拓展数值研究等。要实现的主要目标为，进一步了解超声速气固混合流场中的气、固两相间的相互作用机理，建立更完善的颗粒群阻力系数模型，掌握气相热力学参数、固粒相参数以及装置几何参数对气固两相流场的影响规律。本研究的实验、数值模拟和理论分析结果，可以对更深入地学术研究具有参考价值，也可发展为实用技术，为新型医疗器械、灭火装置的设计开发和产品优化提供技术支持。

伴随激波的气固两相流动是常见物理现象，属于可压缩气固两相流范畴。以粉末药物的无针注射、超声速冷喷涂、脉冲式粉末灭火、固体燃料助推器喷嘴等为代表的工程应用与之密切相关。本项目的主要研究内容包括两方面：（1）激波驱动微米量级和毫米量级颗粒群的气固两相流场特性和激波传播特性；（2）激波与单、双球模型相互作用时模型球曳力的产生机理和影响规律。通过本项目研究工作的开展，明确了激波马赫数、颗粒装载比、颗粒尺寸、驱动气体、通道几何结构等因素对激波反射、透射、衍射和衰减等激波传播行为和对颗粒群运动加速行为的影响规律，并基于光学方法确定了颗粒群的有效曳力系数；设计了高频应变和加速度这两种模型球受力的直接测量方法和装置，首次获得了激波与单、双球模型相互作用时的有效阻力（系数）和非稳态曳力（系数）的系统实验数据，并通过激波诱导模型球绕流场的压力与速度场、球壁面压力与剪切应力分布同模型球非稳态曳力的关联分析，阐明了激波的反射、衍射、聚焦传播行为和激波、尾迹涡结构的相互干涉行为对单、双球模型的曳力（系数）的影响机制，明确了激波马赫数、颗粒雷诺数、无量纲间距等关键因素对模型球曳力（系数）的影响规律。本研究深化了对伴随激波的气固两相流的认识，丰富了多相流体力学的实验研究方法，一定程度上发展了可压缩气固两相流理论，所取得研究成果亦可为新型医疗器械、材料加工工艺和灭火装置的设计开发和产品优化提供理论支撑。

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