（流体机械及工程专业论文）高速气固两相流输运技术研究.pdf

浙江理工大学硕士学位论文 摘要 气晷两相流存在于许多工程应用之中，可压缩性气圈两相流在工业和函防上有着非常 重要的作用。本文首先对激波管内可压缩性气雷两相流进行了实验研究，然后通过建立气 固两相流数值模拟的理论模型，进行了有关的数值计算工作。 本文建立了一套安全稳定的实验系统，琴j 用激波管中产生的波后气流对固体颗粒进行 加速，并对气固两相流运动特性进行了系统的研究。通过改变实验参数，对颗粒装载处、 激波管内和激波管外颗粒的运动过程进行高速摄影；遥过对实验数据的分析，、了解了相关 参数的改变对激波管加速固体颗粒效果、启动阶段的运动状态的影响，以及激波管内外气 固两相流动的差异，得到不同实验参数的改变对加速特性的影响规律。本文获得的实验结 果，在国内公牙的文献中还未见报道。 使用f 1 。u e n t 软件中的离散相模型+ ，建立了描述波看气流与颗粒相互作用的气函两相 计| 算模型，模拟了实验过程。将所得数值结果与相关实验数据进行了比较，两者比较吻合。 证明了本方法在模拟可压缩性气固两裙流动时的准确性和可靠性，并具有定的适用性。 本文的研究为捌用激波管加速固体颗粒的进一步开发设计奠定了基础，同时为可压缩性气 圈两榴流动的研究提供了一种手段。 关键词：气匿两相流；激波管；高速摄影仪；数值模拟 a b s t r a c t g a s s o l i dt w o p h a s ef l o w sa r ee x i s t e du n i v e r s a l l yi nm a n ye n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s c o m p r e s s i b l eg a s - s o l i dt w o p h a s ef l o w sp l a yav e r yi m p o r t a n tp a r ti ni n d u s t r i e sa n dn a t i o n a l 1 d e f e n c et e c h n o l o g i e s 。t h i st h e s i sh a se l a b o r a t e dt h ee l e m e n t a r yt h e o r yo ft h eg a s s o l i dt w o p h a s e f l o w sa n dh a si n t r o d u c e dt h et h e o r e t i c a lm o d e lo ft h eg a s - s o l i dt w o p h a s ef l o w ss i m u l a t i o n ，a n d h a si n v e s t i g a t e dt h ec o m p r e s s i b l eg a s - s o l i dt w o p h a s ef l o w se x p e r i m e n t a l l ya n dn u m e r i c a l l y 俄st h e s i sh a se s t a b l i s h e das a f ea n dr e p e a t a b l eg x p e r i m e n t a ls y s t e m ，i n v e s t i g a t e dt h e e a c c e l e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i co fp a r t i c l e s ，w h i c ha r ea c c e l e r a t e db yt h eh i g hs p e e dg a sf l o wi n d u c e d b yas h o c kw a v ei nt h es h o c kt u b e 。b yc h a n g i n gt h ee x p e r i m e n t a lp a r a m e t e r s ，t h ep h o t o sa b o u t t h ep a r t i c l e si nt h ea c c e l e r a t i o ns t a r t i n gp r o c e s s ，i nt h ep i p ef l o w i n gp r o c e s sa n di nt h ef r e ef l o w r a n g ea tt h et u b ee x i ta r et a k e nb yah i g hs p e e dc a m e r a ，聃ep h o t o sa r ep r o c e s s e da n da n a l y z e d ， s ot h a tt h ev e l o c i t ya n da c c e l e r a t i o no f e a c hs t a t ec a nb eo b t a i n e d 强ec o m p a r i s o na m o n gt h e q u a n t i t a t i v er e s u l t sc a nh e l pp e o p l et ou n d e r s t a n dt h em o v e m e n to fp a r t i c l e sa c c e l e r a t e db yt h e s u p e r s o n i cf l o wa n dt h ei n f l u e n c eo ft h eg a sd y n a m i cp a r a m e t e r so nt h ea c c e l e r a t i o no ft h e p a r t i c l e s 。t kr e s u l t so f t h ee x p e r i m e n th a v en o tb e e n r e p o r t e di nt h ep u b l i ca r t i c l e s 强i st h e s i sh a sa l s oe s t a b l i s h e das i m u l a t i o nm o d e lo ft h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h eh i 曲 s p e e dg a sf l o wa n dp a r t i c l e su s i n gt h ed i s c r e t ep h a s em o d e li nf l u e n ts o f t w a r e t h e nt h e e x p e r i m e n t a lp r o c e s s e sa r ed i s c u s s e d t h ec o m p a r i s o no fs i m u l a t i o nr e s u l t sa n de x p e r i m e n t a l r e s u l t sm a n i f e s t st h a tt h em e t h o d so ft h ee x p e r i m e n ta n ds i m u l a t i o na r ei ng o o da g r e e m e n t 袖i s p r o v e st h a ti t i sb e t t e rt od ob o t he x p e r i m e n ta n ds i m u l a t i o nt og e ta c c u r a t e ，r e l i a b l ea n d u n i v e r s a ld e s c r i p t i o nf o rc o m p r e s s i b l eg a s s o l i dt w o - p h a s ef l o w s 。t h i sr e s e a r c hr e s u l t sh a v e p r o v i d e dt h et h e o r e t i c a lb a s i sf o rf u r t h e rd e v e l o p m e n to fu s i n g s h o c kt u b e st oa c c e l e r a t ep a r t i c l e s ， m e a n w h i l et h em e t h o dh a sp r o v i d e do n eo ft h em e a n sf o rt h ec o m p r e s s i b l eg a s - s o l i dt w o - - p h a s e f l o w sr e s e a r c h 薹( 锣w o r d s ：g a s s o l i dt w o p h a s ef l o w s ；s h o c kt u b e ；h i g hs p e e dc a m e r a ；s i m u l a t i o n i i 浙江理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是 本入在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和 弓| 用的内容外，本论文不包含任何葜他个人或集体已经发表或撰写过的作品及 成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 学位论文作者囊名：岳材元 网期：知蟪年3 月f y 日 浙江理工大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。 。本人授权浙江理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在 年解密后适用本版权书。 不保密。 学位论文作者签名：岳树元 日期：伽程年3 月f s 冈 i l 指导教师签名：”参场 日期：么o o 矽年3 月肟日 浙江理工大学硕士学位论文 1 1 课题意义 第一章绪论 相通常是指某一系统中具有相同成分及相同物理、化学性质的均匀物质部分。两相流 动指的是由两种相组成的流动，气体和固体颗粒混合在一起运动的流动称为气固两相流。 气固两相流存在于许多工程应用之巾，其研究工作主要包括实验研究和数值模拟两个 方面，前者是后者的基础及依据，后者又可以对前者做出预先的估计和指导，两者相辅相 成。已有不少学者对气固两相流进行了实验研究和数值研究n 叫，但由予其复杂的现象和机 理，至今仍是踅点研究的课题，特别是可压缩性气固两相流更是研究的难点晦。 可压缩性气固两相流动在工业和国防上有着非常重要的作用。许多领域都会遇到可压 缩性气固两相流动问题，如药物颗粒无针注射陋叫、超音速冷喷涂( c s c ) n 2 叫引、造成臣大灾 害的工业粉尘爆炸n 5 17 1 、固体燃料的燃烧n 8 叫町等。牛津大学的b e l l h o u s e 等人发明了用激波 管运输药物颗粒的方法，实现粉术无针注射。粉末无针注射利用嵩压气体喷射，将粉末状 药物颗粒加速至一定的速度，药物颗粒穿透皮肤外层递送到皮下、腿肉或黏膜部位，药物 在特定组织层释放，发挥药效。可控制释药深度，适用药物广泛，具有无针、无痛、便捷、 微量、高效、安全、无交叉感染等特点。超音速冷喷涂是冒静先进的材料表面处理技术， 有着广泛的应用前景。在此工艺中，颗粒总是在低于材料熔点的温度下采用超音速气体喷 射来加速，得到的涂层是由固态的颗粒形成的，基体受热极少，大大减少甚至消除了高温 引起的有害效应，如氧化、结晶、残余应力等，可用于喷涂热敏感材料。 目前的研究对管内激波驱动下的可压缩性气固两相流的运动规律研究的不够清楚，对 颗粒运动的启动阶段研究很少见扭呲引，本课题剩用实验方法和数值计算方法对管内激波波 后气流与颗粒相互作用的机理进行研究，重点讨论颗粒启动阶段以及管内阶段的运动特 性。这对于研究探讨与之相关的自然现象和生产活动具有重要的现实意义和理论指导意 义。 本课题来源子中国科学院高湿气体动力学重点实验室开放课题基金。 1 2 实验研究现状 气固弧楣流的实例在自然界和工业上非常多觅，如空气中夹带灰尘、沙漠风沙、飞雪、 浙江理工大学硕士学位论文 。 - _ _ _ ，_ - 。_ - _ _ _ 。- _ - _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ 。_ 。_ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ - 。_ _ _ - - _ _ _ _ _ - 。_ - 。- _ _ 。- _ 。- _ - _ 。_ _ _ _ _ _ - - - - _ _ 。- _ _ _ _ _ _ - 。_ _ _ - _ - _ 。- _ - _ _ _ 。- _ _ _ - - _ _ - _ _ 。_ - 。- - - _ 。j 一 冰雹，在动力、能源等工业中广泛应用的气力输运、气流干燥、煤粉燃烧、气粒浮选、流 态化等过程和技术，都是气固两相流的具体实例。其历史是悠久的，但把这些现象归纳为 两相流学科的研究对象，以两相流的科学概念和方法对这些现象进行定量的理论分析和实 验研究的历史则较短，就工程技术方面丽言，各种两相流学科的建立是上世纪6 q 年代才开 始迅速发展起来的，主要研究两相间的相互作用和两相的宏观运动规律。盘于两相漉现象 复杂，影响因素众多，许多问题很难通过解析分析得出结论。因此，两相流的实验研究具 有重要意义，许多气固两相流动的研究工作正在被广泛地开展。 目前气固两楣流动国内外开展得相当活跃，各国学者都对粒子的湍流扩散和粒子的存 在对气相湍流特性的影响两大问题进行了广泛的研究瞻3 2 4 3 ，但理论研究和实验研究极不平 衡。方面理论模璀层出不穷，另一方面，实验研究工作由于传统测试装置的许多缺陷而 进展缓慢，缺乏可靠、准确的实验数据，国内在这方面更为明显，这大大阻碍了理论模型 的发展。 研究气固两相流的实验检测设备大致可分为浸入式和非浸入式。浸入式的设备包括测 量颗粒流量的静电或动力探针、+ 测量颗粒速度和浓度的光纾维探针等；非浸久式的设备包 括测量速度的多普勒激光测速仪和颗粒成像测速仪、测量密度的多普勒相位测风仪以及近 。 一 期发震起来的一些层板成像仪，细x 射线、y 射线、中子发射层析成像仪、磁共振图像仪、 电阻层析成像仪、红外线层析成像仪等等。就实验方法而论，由于受测试手段和测试条件 的限制，多数工作还仪限于对宏观流体力学特性韵观察和测定，比如不同的气体速度下粗 略的流型变化圈、莱一流型下的平均压降、气相及固相平均速度等。毫无疑问，这些结果 对于人们了解在特定设备、特定条件下的流动规律十分有用。但要进一步深入研究更基本 的气力输送的流动规律，如两相间相互作用力和各相速度分布，现今的基本测试手段都很 难解决。 由于气固两相作用过程的复杂性，大部分传统的理论方法研究采用经验模型或半经验 模型( 如压降比法、经验公式法、附加压降法和力平衡法等) ，或基于大量实验数据的经验 关联，或根据对被研究对象的物理认识建立的物理模型。这些模型一定程度上丰富了对系 统的认识，能够描述一些实验现象，但由于依赖经验或半经验的认识，预测能力有限，同 时不能给出详细的流场信息。 目前，在气固两相流的实验研究领域已经开展了许多工作，取得了一系列成果。 2 浙江理j ：入学硕士学位论文 1 2 1 气力输送 气力输送是利用气流作为载体，在管道中输送粉状、粒状固体物料。气体的流动由输 送管两端的压力差来实现，直接给管内的物料颗粒提供移动所需要的能量。气力输送技术 在工业上应用始于1 9 世纪上半叶，2 0 趱纪初更多地使用正压系统，输送速度比较高，被输 送的颗粒物料悬浮于气体中，称为稀相输送。现在许多诸如制药、食品、塑料、水泥、化 工、采矿等工业部门，已普通采用气力输送技术来输送颗粒物料。尽管这样，至今这种输送 方法仍没有形成一门完善的技术，其理论研究大大落后于实际应用。许多气力输送理论只 能应用于少数有选择的物料，例如某些物料仅适用于稀相单管输送和脉冲单管输送。 t s u j i 和m o r i k a w a 5 研究复杂的管道几何条件，只考虑相当大尺寸的颗粒，发现随着 固体流量的增加，气体的速度分布比单相变得平坦，并且由于重力的影响使得其呈非对称 分布。s a l t c 2 6 3 等对白云石和水泥在1 2 0 m m 管径的倾斜管道的气圃鹾相流动进行了实验研究， 他们研究了在相同压降下，不同的管道倾斜角度对颗粒质量流量的影响。 对于稀相输送，已经有了较为全面的的研究，有了能用于实际工程的理论计算公式。 对于密相动压、密相静压输送( 脉冲输送) ，经过实验已认识到输送功率与空气速度的平方 成正比，输送物料和输送管道的摩擦损失与输送速度的2 - 3 次方成正比。对于密相输送装 置，降低气流速度、提高料气比是提高输送效率的关键。这类气力输送装置的压降计算公 式也很多，但大多是计算水平管或垂直管压损的经验公式和经验数据，丽且使用范围有一 定的限制。 1 2 2 无针注射 牛津大学的b e l l h o u s e 等入发明了粉术无针注射，该设备是基于激波管原理进行设计 的阳1 。高压段为圆柱形储气室，充满高压氦气，作为动力。储气室阕门作为膜片；打开阀 门后形成激波和超音速气流。低压段为缩放管，便于气流的加速。药物颗粒储存在下游两 层薄膜闻，激波破膜后，接触西后面的气流加速颗粒，颗粒由予较大的惯性进入皮肤，氦 气反射回消音器。可通过改变喷嘴几何形状、破膜压比来控制颗粒速度以控制释药深度。 实验结果班弼显示，激波发展的初始阶段持续约2 0 0 as ，这期间存在复杂的膨胀过程， 然后才出现准静态超音速流。为了便于加速颗粒，颗粒应在准静态超音速流中加速，而不 应在激波发展的初始阶段。但颗粒离开喷嘴时的光学观察结果和喷嘴处的压强测量结果都 说明，在初始阶段完成之前，已经有部分颗粒离开喷嘴，这会造成部分浪费。y il i u 等防 气 浙江理。【人学硕七学位论文， 一一一一 利用文丘里效应使颗粒直接进入准静态超音速流中，避免了以上问题。文丘里效应是指由 一段渐缩管、段喉管、一段渐扩管前后相连组成文丘罩管，在喉口处外接个储存颗粒 的盒子，由于断面面积减小，气流流速增加，压强降低，管内压强小于外界压强，颗粒在 大气压作用下进入喉管内，并隧准静态高速流前进。这样设计还有个好处，就是不再需 要破膜的设备。利用两层薄膜储存药物颗粒时，激波破膜会使相当一部分颗粒滞留在破裂 的薄膜处，而且薄膜破裂时的噪声也很大。新设计避免了破膜碎片的产生，所有的颗粒都 被加速。 1 2 3 超音速冷喷涂 超音速冷喷涂用压缩气体超音速喷射细小粒子( 1 到5 0 声o n ) 至金属或电介质基体，是目 前先进的材料表面处理技术，是新兴的研究领域，有着广泛的应用前景 1 2 】。工作原理为： 高压气体被引进到一个拉法尔喷嘴，通过喉管区被进步压缩，随厥膨胀到正常的大气压， 获得超音速气流，粉末通过一个精确计量的装置输送到喷嘴的高压侧，没有形成涂层的粉 末可以在封闭腔由传统的粉尘收集器回收。超音速冷喷涂是在八十年代中期，由新两伯利 亚俄罗斯科学院理论和应用力学研究所开发。美嘲在九十年代中期开始这个领域的研究， 已取得系列成果。目前国外冷喷涂技术的发展已接近广泛实际工业应用阶段，国内大连 理工大学、西安交通大学、中科院金属研究所等单位也开始了该技术的发展和研究，取得 了一定成果。 1 2 4 凝聚分质中激波的拍摄 凝聚介质中传播的激波一直未被拍摄至| ，因为介质不透明，激波的形状鞠位置无法用 常规的光学摄影方法得到。为解决这个难题，范宝春啦舻3 爰携带示踪粒子的x 射线和阴影 摄影法，研究水平激波管内激波与堆积粉尘的相互作用和堆积粉尘内流场的波系结构。 氧化铅对爿射线的吸收作用很强，盖射线通过氧化铅密度不同的区域时其衰减程度将 明显不同，在x 光底片上留下的图像颜色深浅有明显差异，在介质中加入氧化铅作为示踪 粒子，通过此特性可以拍摄到激波波系的形状。 。 实验结果显示，堆积粉尘原始表面受激波压挤下降，透射激波为入射角很小的斜激波。 堆积粉尘中透射激波经过的区域密度增大。隧着激波强度的增大，透射激波的激波入射角 和气流偏转麓呈增大趋势。当激波掠过堆积粉尘界面时，在升力作用下，界面粉尘被卷扬， 4 浙江理工大擎硕士学位论文 形成粉尘云。堆积粉尘内也形成透射激波，透射激波后的颗粒因运动而频繁碰撞。正激波 和堆积粉尘作用时其根部发生弯曲，激波越强，激波根部的弯蛙程度越小。当斜激波的入 射角达到一定临界角度时，激波根部将不再弯曲。粉尘颗粒的卷扬具有一定时间的弛豫时 间。 1 2 5 激波与固j 体颗粒群相互作用的详细过程 。邋常情况下，激波作用下的颗粒群会高速运动，常规的实验手段难以获得激波与颗粒 群相互作用的详细过程，施红辉口卜3 2 3 把固体颗粒群固定在激波管的实验段，用纹影仪拍摄 激波与颗粒群相互于涉的照片，用蘧电传感器测量激波通过颗粒群时压力的衰减过程和激 t 波速度，利用纹影照片和压强值讨论其作用过程，试验了颗粒群的不同构造对压力衰减的 影响。指出激波与固体颗粒群的相互作用过程是一个典型的菲线性力学过程，其中出现了 激波的复杂反射、衍射、聚焦以及激波与尾迹区旋涡的干涉等现象，颗粒群中出现了压力 的高频振荡和压力增幅，不屈的颗粒群的构造可以导致不同的气体压力。激波反射、聚焦 等非线性气动阂素是可压缩性气固两相流的关键闻题。在涉及超音速气流中颗粒群的阻力 系数时，因为出现了激波与激波的干涉、激波与旋涡的干涉等非线性因素，单个颗粒的阻力 系数不一定能推广到颗粒群的计算。 1 2 。6 颗粒群阻力系数关联式 激波管技术可以方便地获得较高的r e y n o l d s 数。耿继辉瞄3 删等人利用自行设计的两相 激波管，对中等强度激波诱导的悬浮颗粒群间断面加速运动进行了系统的实验研究，并作 了相应的数值模拟，在研究各影响机制的基础上，综合、分析以往各种阻力系数差别，结 合自己的实验结果，提出了用于含尘气体动力学领域的颗粒群阻力系数关联式，即计及颗 粒相对r a y n o l d 数、相对m a 数、浓度以及颗粒尺寸等因素的颗粒群有效阻力系数关联式。 对激波诱导的气固两相流场中k n u d s e n 数、加速因子、颗粒相对马赫数及r e y n o l d s 数进 行系统的数值计算，认为这四个参数对于颗粒群阻力系数的研究或选取至关重要。颗粒尺 寸、初始载荷比以及入射激波强度对以上四个参数的影响是显著的，应用激波管技术研究 颗粒群阻力系数的过程中，必须界定以上四个因素的影响程度，以便更好地讨论其影响机 制。 浙江理工大学硕士学位论文 1 3 理论研究现状 两相流研究的理论模型由物理模型和数学模型组成。物理模型是基础，是研究者对两 相流实际流动现象直观的理解和假设或想象，是对两相流运动机理、流动状况等进行简化 后的理想化流动。有了对错综复杂的实际两相流运动的理想化流动，就可以借助已有的多 相流理论和数学理论对其建立数学模型，从而建立相应的数学方程，并通过各种数学方法 对数学方程进行求解。 两相流模型从理论研究的尺度和所建立的控制体属性来划分，主要可分为三大类物理 模型，即连续介质模型( c o n t i n u u mm o d e l ) 、离散颗粒模型( d i s c r e t ep a r t i c l em o d e l ) 、流体拟 颗粒模型( p s e u d op a r t i c l em o d e l ) 。各种数学模型都是以上述物理模型为基础建立起来的i 在同一物理模型基础下，由于研究的对象或描述的着眼点不一样，产生了不同形式的数学 模型和理论研究手段。 连续介质模型把分敞的颗粒群和气体相都看作是连续介质来处理，即认为颗粒相与流 体相是相互渗透的拟流体，流场中任一点都同时被这两种组元所占据，颗粒相和气体相一 样有其自身的压力、粘性系数和湍流扩散系数侧，此模型是在e u l e r 坐标系中来考虑两相 流体流动的。豳于此模型把颗粒相和气体相看作是连续介质，故两相方程的形式较统一， 便于研究比较，且两相的方程组形式分别与单相流动方程组形式差别不大，因而可借助利 用计算流体力学的成果。基于上述优点，目前极大多数从事多相流研究的学者采用连续介 质的物理模型来建立数学模型，并借助流体力学的连续介质理论，使多相流研究有了迅猛 的完善和发展，取得了丰硕的理论成果，在工程实际中得到了广泛的应用口5 1 。 离散颗粒模型是基于欧拉拉格朗日法来描述的，在欧拉坐标系下处理气体楣，在拉 格朗日坐标系下处理颗粒相，主要模型为颗粒轨道模型，其原理是在颗粒群较稀的情况下， 连续性假设就失效了，为了更准确描述颗粒间的碰撞过程，此类模型采用拉格朗同坐标系， 它不把颗粒看成一个连续相，而是 见为离散体系，计算单粒子或颗粒群在流场中的轨迹及 粒子参数沿轨道变化的规律。州。此类模型的基本假设有：颗粒相是离散体系，气相与颗粒 问有速度滑移和湿度滑移；在确定性轨道模型中不存在颗粒扩散；颗粒群按初始尺寸分布 组，每组颗粒在任何时刻都有相同的尺寸、速度和温度；每组颗粒从某一初始位置开始沿 着各自的轨道运动，颗粒的质量、速度及温度变化可沿轨道加以追踪；认为颗粒作用予流 体的质量、动量及能量源等价地均布于气楣单元内。 流体拟颗粒模型的核心思想是不但把颗粒按离教相处理，而且将气体也离散成气体微 6 浙江理1 ：人学硕士学位论文 团一气体“颗粒”来处理。通过模拟气体“颗粒”与固体颗粒问的相互碰撞等相互作用， 来研究描述、再现两相流动中的一些经典现象和微观特性。流体拟颗粒模型原则上可以对 气固两相流动的微观结构给出描述，它的优点可以从单颗粒尺度描述颗粒与流体间的相互 作用，但需准确把握颗粒间相互作用的模型。 h u b e r 口力采用颗粒轨道法对圆管稀棚颗粒运动做了三维数值模拟，考虑了双向耦合、 湍流、湍流颗粒弥散、颗粒与壁面以及颗粒与颗粒的碰撞，预测了不同管道元素下管内横 截面的颗粒浓度分布。流体和分敖相的数值计算是采用e u l e r - l a g r a n g i a n 方法处理的，气 相的流场计算基于时均的n s 方程和k s 模式，用修正的p s i c e l l 方法考虑由分散相的 动量的交换而引起的源相变化。b e r l e m e n t 。嘏1 等所提出的颗粒群弥教的拉格朗圜模拟方法已 经形成了计算软件p a l a s ( p a r t i c l el a g r a n g i a ns i m i l a t i o n ) ，但该算法人为地弓l 进了一个壹径 为l p 的判断域，具有一定的随意性，且对反映气固两相湍流剪切流的矩阵中交叉关联项 的计算还存在数学上的困难，因而目前事要篇子均匀、稳定的各向阕性气固两褶流中颗粒 弥散的模拟上。t s u j i 等人口钔利用l a g r a n g e 方法模拟了水平管中颗粒流的数值计算研究， 进行了气力输送系统的水平管道的三维计算，考虑了气固比在1 1 0 之间的双向耦合和非 球形颗粒的壁面冲击效应，但没有考虑颗粒与颗粒闻的碰撞，两在大的气匿比下，这秘碰 。撞是非常重要的，同样，此研究考虑的是大的颗粒尺寸的情形( 如颗粒直径为l m m ) 忽略 了湍动效应对颗粒的影响。t a s h i r o n 钟用e u l e r - l a g r a n g e 方法进行了粗糙颗粒在水乎篱道气 力输送中的压降和脉动速度的预测，考虑了m a g n u s 升力、颗粒闻的碰撞、颗粒与光滑壁 瑟的碰撞、以及双向耦合，但与褶关实验比较，差异较大。s a c c a n i 秘妇进彳亍了稀相气力输送 的数值模拟和实验研究，以3 英寸管径的输送管遴为研究对象，对压降迸彳亍了预溅，并采 用非插入式可视化技术测量了露相速度和压降，与数值计算进行对比。g r z e g o r z y 池1 对垂蠹 气力输送管道中的加速区流动特性进行了研究，将均一流模型和阻力公式相结合，给出了 精确预测球形圈粒在垂直气力输送系统加速区的压降特性。谢灼利秘秘等久进行了稀相气力 输送垂直管中的数值模拟，并与前入所作的实验进行了对比，给出了垂直管中气固两相速 度分布的比较，以及不同颗粒输送量下单位管长孤降梯度随输送气速的变化图。 1 4 本文工作 本文的主要工作是利用激波管对波后气流对固体颗粒的加速特性进行系统的研究，通 过实验分析不同实验参数对加速特性的影响规律，利用c f d 计算分析软件f l u e n t 建立描 述波后气流与颗粒相互作用的气固两相计算模型，讨论实验过程。具体工作包括： 7 浙江理工大学硕士学位论文 l 根据本文的研究目标，对一台水平激波管进行适当改进，设计加工了进气口、装料 室、观察窗等实验设备，安装调试高速摄影设备，建立了一套安全、易操作、重复性好的 实验系统。 2 试验了装置的各种运行参数，包括气体种类、膜片厚度、颗粒大小、颞粒密度以及 颗粒装载量，对颗粒装载处、激波管内和激波管外颗粒的运动过程进行拍摄。对实验数据 进行分析，了解相关参数的改变对激波管加速固体颗粒效果的影响、启动阶段的运动状态、 激波管内外气固两相流动的差异。 3 利用f l u e n t 对管道内气固两相流动进行数值模拟，将计算结果与实验数据进行比 较，为今质的进一步研究和工程实际应用提供参考。 8 浙江理工大学硕士学位论文 第二章实验装置与实验方法 为达到本课题的研究目标，建立一套安全稳定的实验系统。本章主要介绍实验原理、 实验装置以及实验方法。包括激波簧结构和工作原理、高速摄影仪的使用方法、以及实验 巾应注意的事项。 2 1 激波管的结构和工作原理 受气体以超音速流动时，在一定条件下会形成一道突跃的压缩波，帮激波。气流通过 激波时的压缩过程是在非常小的距离内完成的，一般情况下，激波的厚度大约是2 5 1 0 。c m 左右，这个数壤和分子的自由程属同一个数量级。气流在这样小的距离内完成个显著的 压缩过程，激波内的物理过程十分剧烈，其压强、密度和温度突跃的上升一个数值，流速 相应的下降一个数值。激波是气体的一种瞬时的压缩现象，其过程是不可逆的。气体通过 激波时，有效能量减少，而熵增加。激波为物理上的间断面n 朝。 激波是气体、液体、固体或其混合物中压力、密度等参量在波阵面发生突跃变化的压 力波，常伴随着能量的突然释放及超音速运动而出现。在激波中，不可逆过程使气体压缩、 声速改变，同时由质量守恒定律密度的改变也意味着流速的改变。激波理论研究的最简单 情况是稳定传播的激波，将其视为数学间断并假设两侧流场均匀，根据激波两侧的守恒方 程和关于流体正常特性的热力学充分条件，虽p b e t h e w e y l 条件，可以讨论p v 、p 一材和斜 激波u v 平面的各种形式的激波极曲线，进嚣孬讨论激波特性、激波的芷舰和菲正规反射及 激波的相互作用等阅题h 鲥。激波打破了波前的平德，在波后建立了新的平衡。在两个平衡 态之间必有一段迟豫区域，也即激波具有特定的迟豫结构。 激波管是产生平面激波的实验装置，通常是一个具有露形或矩形截西的长管。图2 1 是激波管示意图，材质不同的膜片( 如一定厚度的 铝片) 将截面形状为圆形或矩形的长管分为压力值 不同的驱动段和被驱动段，驱动段稆被驱动段中气 体的温度、密度及热力学参数都可以不同。当膜片 两侧的压力差达到某一临界值时膜片就会破裂，被 强烈压缩的驱动段的工作气体冲离被驱动段，由于 9 固产掣童监虻 出 剧一。 l 口 阎厂臀波警觚豇警 出 壁l 量一1 。一一l 口 图2 1 激波管结构示意图 浙江理j = = 入学硕士学位论文 两侧气体压力等参量的突变，产生一道向激波管也口传播的激波、一个向离压段固壁传播 的膨胀波系以及两者之间的一个接触间断面，接触面向被驱动段运动，激波的运动速度高 于接触面。当激波向激波管出口运动时，会带动波后气流以相当高的速度运动；当激波到 达激波管出口位置时，会在该处反射向管内传播的膨胀波系，导致气流速度从波头前的数 值连续减小到波尾后的数值。气流离开激波管后进入大空间，其流动形式为自由射流。 2 2 实验原理 如果在膜片与激波管出口之蠲的某_ 位置装载一定量的固体颗粒( 钢珠、塑料珠等) ， 当激波经过载荷位置后，该处的气体就在激波扰动下以一定的速度流动，固体颗粒群首先 在激波的冲击下发生松动，然后，颗粒由于受到气流的牵引朝激波管出口方向作加速运动。 这些阐体颗粒的速度都小于激波传播速度，因此激波先子固体颗粒到达出翻位置，并反射 膨胀波系，这样固体颗粒在离开激波管之前还会受到膨胀波系的影响。通常情况下，固体 颗粒会被继续加速，只是由于气流与阎体颗粒闻的滑移速度比先前下降得更快，导致固体 颗粒的加速效梁明显变差。当固体颗粒离歼激波管后仍会受到管外气体自甬射流的作用， 除非脱离射流区域进入区域外的大空问继续运动。由于相间的动量和能量交换，激波的传 播行为是非定常的。 2 3 实验装置 本实验系统由高压气瓶、圆形水平激波管装置、观察窗和高速摄影仪等部分组成。图 2 2 为实验装置系统简图，图2 3 为实验装置照片。 如图2 2 所示，装置主体为一个水平放置的圆形激波管，其右半部分为5 0 0m m 的驱 动段，左半部分为1 5 0 0m m 的被驱动段，两段内外径相同，内径2 5 m m ，外径4 0 m m 。两 段以铝膜隔开。驱动段接有压力表和针阀，以控制对驱动段的充气压力。被驱动段的后磁 连接装料室，装料室用2 2n 姗的有机玻璃管制成，1 装料后两端用厚度为0 o lm m 的锡纸封 闭，然后用法兰与其他结构连接。锡纸在激波的冲击下会立即破裂；且因其质量轻、体积 小，对流场影响极小。装料室后面连接观察段，观察段也用有机玻璃管制成，其长度为5 6 0 m m 。观察段后面连接观察窗，它为角钢框架和内嵌的l o m m 厚的透明有机玻璃板构成的 立方体容器。容器中与激波管正对的蹙面为l o m m 厚的钢板。在此装置内可以观察到颗粒 在观察段内外运动的全过程，且用此装置便于颗粒回收和保证实验物品和人身安全。该实 验的关键测试系统为高速摄像仪和计算机组成的高速摄影系统，高速摄影仪采用日本 i o 浙江理= 火学颤十学忙论文 p h o t r o n 公司的f a s t c a m - s u p e r l 0 k c ，最高摄像频率为一万帧秒，配有专门的图像处 理系统。实验条件下对应的曝光时削非常短暂，在自然光线下摄影仪采集不到足够的感光 点，需要增加光源，j 盏功率各为1 0 0 0 w 的摄影灿作为补充光源。 1 高压气体钢瓶2 减压阀3 针蒯4 压力表5 驱动段6 铝膜 7 被驱动段8 装料室9 颗粒1 0 现察段1 1 观察窗1 2 钢板 3 有机玻璃板1 4 高速摄影披15 计掉机1 6 光源 国22 实验装置系统简图 图23 实验鼗置照片 图24 高速摄影仪 浙江理1 人学颇士学什论文 目26 拍摄段圈 图26 铝膜放置处 瞄2 4 为高速摄影仪的正面和侧面照片，左罔中，左边为高速摄影仪的显示设备，右 边为控制和存储设备。图2 5 为拍摄段的局部照片，有下方为高速摄影仪的镜头和三脚架， 中间为透明的有机玻璃管，j 盏功率各为1 0 0 0 w 的摄影灯作为补充光源，左边为角钢框架 和内嵌】0 r a m 厚的有机玻璃板构成的立方体容器。图26 为激波管中放置铝膜的部位，将 锅h 盟放入苴中，拧紧两边螺栓，由丁两边法兰存在密封圜，可保证此处的密闭性。 231 实验材料和实验环境 实验中使用的高压气体为氮气和氦气，最商压力为1 2 m p a ，属性见表2 l 。使用的颗 粒有塑料球、大钢球和小钢球，属性见袭22 。铝膜厚度有00 8 m m 和0l m m 两种。激波 管出f 】压力为一个大气压( 0 1 m p a ) ，室温为2 9 3 k 表2 , 1 气体属性 汰 音速( r r d s )比热比 分子量 空气 f 氮气 3 5 0 i 氨气 表2 2 颗粒属性 义 密度f g c m ) 直径f m m l 质量( g ) 塑料球 大钢球 小铡球 浙汪理工大学硕士学位论文 2 3 2 高速摄影仪的 生能 高速摄影仪采用翻本p h o t r o n 公司的f a s t c a m s u p e r l0 k c ，其摄像频率有10 0 帧 秒、2 5 0 帧秒、5 0 0 帧秒、1 0 0 0 帧秒、2 0 0 0 帧j 眇、3 0 0 0 帧秒、5 0 0 0 帧秒，最高为1 0 0 0 0 帧秒。高速摄影仪可在短时间内拍摄一系列连续照片，通过放慢播放速度，可以观察到现 实中观察不到的物体高速运动的细节。由于波后气流加速后的颗粒速度比较大，在较长的 曝光时问内图像会呈现线状，需选用较高的摄影频率。但随着曝光时间的缩短，摄影仪对 光线的要求更高，需要增加大功率的补充光源。由于高速摄影仪的存储空间有限，为了保 证高频抽摄时也能有较长的拍摄时间，摄影仪会自动调整拍摄画面，使得拍摄画面变小。 2 4 实验方法 2 4 1 实验步骤 首先，在装料室填充固体颗粒，安装铝膜，启动计算机，打开光源，。调整摄像镜头； 然后，打丌高压气体钢瓶和减压阀，将压力调至预期范围，调整针阀，使高压气体进入驱 动段，驱动段压强由压力表读出，在达到预计破膜压强之觞启动高速摄影仪，继续充气直 至破膜，记录破膜瞬间的压强值；最后，关闭高压钢瓶和减压阀，将导管中残余的高压气 体放出，关闭针阀，保存并处理数据。 实验中使用高压气瓶应注意安全，严格按照操作顺序开关阀门。而且由于实验过程中 会发出巨大声响，还应保护好听力。 2 4 2 调整镜头的方法 鹭像处理时需要追踪某点的运动轨迹，图像越清晰，分橱的误差越小，因此调整镜头 至最佳拍摄状态非常重要。实验中，由于拍摄内容主要是透明有机玻璃管，露标很宽泛， 镜头调整的好坏受主观因素影响很大，于是在拍摄霹标处粘贴张带字的小纸片，调整镜 头与邑标的距离( 保证拍摄范围) ，调整焦距和光圈，直至能清晰的看到纸片上的内容。 本实验中，镜头与拍摄圈标的距离为6 2 c m 。 2 4 3 启动时间的确定 高速摄影仪的拍摄频率较高时，拍摄时间非常短暂，仅为几秒( 例如5 0 0 0 帧秒时能 1 3 浙江理工大学硕士学位论文 拍摄2 秒) ，这就要求我们在破膜瞬间前启动高速摄影仪，因此实验前需要知道铝膜的破 膜压比。我们在不装载固体颗粒的情况下进行了预备试验，进行多次不同厚度铝膜破膜压 比的测量，并以测量结果的平均值作为破膜压比值。该值可用来监测高速摄影仪的启动时 间，同时根据激波管理论町确定激波速度和波后气流速度。表23 显示了铝膜的破膜压比 表2 3 铝膜的破膜压比 厚度第改第二狄第三次第四次 第五次第六次平均值 00 8 r a m 0 l m m 2 44 图像处理需进行标定 图像处理过程中需刘时间和空间进行标定，以便将现实中的实验情形与高速摄影仪拍 摄的内容建立联系。时问根据所选的拍摄频率确定，空间则通过测量实际的管径和图像上 的管径，二者之比即为空间的几何比例。 2 45 图像数据的处理 使用高速摄影仪配套的图像处理软件，可以定量地分析物体运动的位移、速度和加速 度。首先，导八所要分析的运动阶段的连续照片，对时间和空间分别进行标定，确定每两 幅照片之间的实际时间间隔以及照片与实际空间尺寸的比例；选中研究对象作为参考点， 在接下来的照片中对此点进行追踪，获得其运动轨迹。对时间进行一次微分可获得速度， 二次微分可获得加速度。 2 4 6 不同填充比 为考察颗粒装载量的改变对激波管加速颗粒群效果的影响，颗粒装载量分别设置为占 据装料室体积的；、；和全部。图27 捏示了填充比分别为；、；、1 的填充状态。 渤闼脚 ! 1 1 32 圈z 7 不同装载量的填充状志 1 4 浙江理【大学硕士学位论文 247 破膜后的铝膜 本实验中铝膜有o0 8 n u n 和0l m m 两种厚度，其破膜压力不同。ol r o m 的铝膜承受的 压力比较大，所受到的剪切力也比较大，当达到破膜压力时膜片沿管径大小被剪切，破裂 痕迹十分整齐。o0 8 r a m 的铝膜承受的压力比较小，剪切力只能使其不规则破裂。图2 8 中， 左侧图片显示了12 5 m p a 下0 l m m 铝膜的破裂情况，右侧图片显示了o7 m p a 下o0 8 m m 铝膜的破裂情况。 2 4 8 测量误差估算 目2 8 破膜后的铝膜 破膜压比的影响 高速摄影仪的拍摄时问非常短暂，需要在破膜瞬间前启动高速摄影仪，用测量结果的 平均值监测高速摄影仪的启动时间，铝膜厚度可能分布不均匀，致使破膜压比存在差异， 从而波后气流速度不同，对颗粒的加速效果也就有差异。而在本实验中认为铝膜厚度均匀， 波后气流速度相同，这导致了部分误差。 高速摄影仪拍摄的角度 本实验中使用的高速摄影仪的镜头为3 c m ，距观察段6 2 c m ，照片中的拍摄长度为8 c m ， 有机玻璃管的壁厚为03 c m ，镜头与观察段距离较远，拍摄引起的误差非常小，可以忽略 不计。 图像处理 图像处理软件b l a s t e r sm a s 的处理过程为选中研究对象作为参考点，在一系列照 片中对此点进行追踪，获得其运动轨迹。对时间进行一次微分可获得速度，即竺；v ，二 浙江理工人学硕+ 学位论文 次微分可获得加速度，即害：口。对微分方程的离散化和代数方程的计算存在离散误差 以 和舍入误差。对点进行跟踪状态的好坏与图片的清晰程度有很大关系，主观因素也有一定 影响。 2 5 激波马赫数计算 根据激波管理论，壶破膜蓬比可计算得到激波速度的理论值郾 鲁：( 舟m ：一籍) ，一矣寻詈( 吖。一古汀籍 2 心， 其中，段i p l 是破膜时驱动段与被驱动段压力之比，y 。、