（安全技术及工程专业论文）激波与微粒相互作用研究.pdf

a b s 仃a c t硕士论文 a b s t r a c t i n t e r a c t i o n so fs h o c kw a v e sw i t hm i c r o p a r t i c l e sa t ea l w a y su s e di ni n d u s t r yd u s t e x p l o s i o na n dm i l i t a r yc l o u dd e t o n a t i o nw e a p o n i tp o s s e s s e sv e r yi m p o r t a n tr e s e a r c hv a l u e a n db e c o m e sh o tt o p i c h o w e v e r r e s e a r c hr e s u l t sa t en o tp e r f e c tb e c a u s eo ft h ec o m p l e x p r o c e s si n v o l v e dv a r i o u sk n o w l e d g e s u c h 嬲f l u i dd y n a m i c s a e r o d y n a m i c s e x p l o s i o n m e c h a n i c sa n dh e a te t c s ot h e r es t i l ln e e df u r t h e rr e s e a r c h t h ep r e s e n tp a p e ri sd e v o t e dt oe x p e d m e n t a la n dn u m e r i c a li n v e s t i g a t i o no ft h es h o c k w a v ep r o p a g a t i o ni nam i x t u r eo fg a sa n ds o m eo b j e c t e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n s y s t e m a t i c a l l yi n s p e c t e dh o wt h ev a r i o u sf a c t o r s s u c ha ss h o c kw a v es t r e n g t h l i q u i df i l m t h i c k n e s s a n dp a r t i c l es i z e o b j e c td e n s i t y a f f e c tt h ef l o ww h e ns h o c kw a v ei n t e r a c t sw i t h m i c r o p a t t i c l e t h ee x p e r i m e n t sa t ec o m p l e t e d i ns p e c i a ld e s i g n e ds h o c kt u b e a n dn u m e r i c a l s i m u l a t i o ns t u d i e st h ep a r a m e t e r so ff a e m a i ni n n o v a t i v er e s u l t sa r ea sf o l l o w s 1 t h ed e n s i t yo fl i q u i dc l o u dw o u l db eu n i f o r ma f t e rc o m p l e t e l ye x p a n d e ds h o c kw a v e i n t e r a c t i o nw i t ht h el i q u i df i l m t h ec o m p l e t e l ye x p a n d e ds h o c kw a v ec a nb eo b t a i n e da s l o n ga st h es h o c kw a v em o v e15 m m a f t e rw a v e l e a v i n gt h et u b ee x p o r t w h i l et h ed e n s i t y o f l i q u i dc l o u dw o u l d n o tb eu n i f o r ma f t e rt h es h o c kw a v ei n t e r a c tw i t ht h el i q u i df i l ma tt u b e e x p o r tb e c a u s et h ew a v ei sad i s c o u n t e de x p a n d e dw a v e 2 l i q u i dc o u l ds h a p e sa t ec h a n g e dw i t ht h ei n i t i a ll i q u i df i l mt h i c k n e s sc h a n g e dw h e n t h es a m es h o c kw a v ei n t e r a c tw i t hd i f f e r e n tl i q u i df i l m m o r e o v e r f o l l o w e dt h ei n c r e a s i n go f i n i t i a ll i q u i df i l mt h i c k n e s s c l o u ds h a p e sa r ec h a n g e df r o ms p i n d l es h a p et os p h e r e a sw e l l a st h er e l a t i o no fc l o u dv o l u m ew i t hi n i t i a ll i q u i df i l mt h i c k n e s si sau s h a p e dc u r v e 3 d e g r e eo fu n i f o r m i t yo fl i q u i dc l o u di sp r o p o r t i o n a lt ot h em a c hn u m b e rw h i l et h e s h o c kw a v ei n t e r a c t sw i t l ls a m et h i c k n e s so fl i q u i df i l m t h es h a p eo fc l o u dc a nb ec h a n g e d a st h ek i n do fl i q u i dc h a n g e d m o r e o v e r a f t e rt h em o r ev i s c o u sl i q u i di n t e r a c t i n gw i t hs h o c k w a v e i t sc l o u dw o u l da p p e a rs u n k e np 0 硫 o v e rt i m e s u n k e np o i n tt u r n st op e a l a tt h e s a m et i m e t h el i q u i dw h o s es u r f a c et e n s i o ni ss m a l l e ri se a s yt oc h a n g et ob ed e n d r i t i c a l l yo n t h ec l o u de d g ea f t e rt h es h o c kw a v ep r o p a g a t e si nam i x t u r eo fg a sa n dt h el i q u i d 4 b e h i n ds h o c kw a v e t h ep a r t i c l e ss p e e do fh o r i z o n t a lm o v e m e n ti s s m a l l e rt h a n v e r t i c a lm o v e m e n to b v i o u s l y a n dt h ep a r t i c l et r a j e c t o r yi sap a r a b o l a w h i l ec l o u ds h a p ei s t h ec o n ed u r i n gt h ep r o c e s s m o r e o v e r i n i t i a lv e l o c i t yo fp a r t i c l em o v e m e n ta n di n v e r s et o p a r t i c l es i z ea st h em a c hn u m b e rk e e p s t i l l 5 m a i nd e f o r m a t i o nf o r c e sa n do b j e c td e f o r m a t i o n sa t ed i f f e r e n ta st h ed i f f e r e n td e n s i t y o b j e c t si n t e r a c tw i t hs h o c k w a v e t h ef o r c ef o rl o wd e n s i t yo b j e c td e f o r m a t i o ni st h ei n c i d e n t w a v e a n dt h ea i rc a ni n v a d et h el o wd e n s i t yo b j e c t f o rt h el a r g e rd e n s i t yo b j e c t t h e d e f o r m a t i o n sf o r c ei st h et r a n s m i s s i o n d e n s i t yo b j e c t t h ed e f o r m a t i o n sf o r c ei s a i rc a nn o ti n v a d ei te l s e w a v e a n dt h ea i rc a nn o ti n v a d ei t f o rt h eh i 曲 t h et r a n s m i s s i o nw a v ea n dd i f f r a c t i o nw a v e a n dt h e 6 u s ed i f f e r e n tm e c h a n i s m sm a d et h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fd r o p sc l o u d sd i s p e r s e di n a i rb y1 1 i 曲e x p l o s i v e t h er e s u l ti n d i c a t e dt h a tt h ed r o pf i s tb r e a k u pt i m ei sm i l i t a r y m a g n i t u d e a n dd r o p l e tn e a rt h es h e l la n dt h er e g i o no fd e t o n a t i o np r o d u c t si sl a r g e rt h a n t h o s ei nt h eo t h e rp o s i t i o n k e y w o r d s s h o c k w a v ei n t e r a c t i o n l i q u i df i l m s o l i dp a r t i c l e s d r o p sc l o u d c o m p u t a t i o n a ls i m u l a t i o n i i i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果 尽我所知 在本学 位论文中 除了加以标注和致谢的部分外 不包含其他人已经发表或公布 过的研究成果 也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的 材料 与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明 确的说明 研究生签名 二缈年月 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档 可以借阅或上 网公布本学位论文的部分或全部内容 可以向有关部门或机构送交并授权 其保存 借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容 对于保密论文 按保密的有关规定和程序处理 研究生签名 2 量函墨 年 月日 顿上略文撒渡与微粒相互作玎 研究 1 绪论 1 1 研究背景和意义 一定强度的激波驱动微粒 液体或固体颗粒 能形成团簇悬浮在气体介质中 该状 态的微粒被称为气溶胶 它不仅具有原介质的物理 化学特性 且在冲击波作用下 由 于非线性力学以及激波的复杂反射 衍射和涡流等综合作用的干涉 气溶胶的运动形态 及物理 化学状态等部有一定的变化规律 气溶胶的这一特性对研究粉尘爆炸预防 民 用气象 森林灭火 飞行安全 军事等用途方面都有重大意义 比如 森林灭火方面 在地面和空中进行灭火作业时 灭火剂的抛洒方式与灭火效率和灭火成本关系很大 掌 握了灭火剂在抛洒时的运行及雾化特性 便能更有效更经济的进行作业 粉尘爆炸方面 在爆炸发生时 爆炸波前温度 压力及爆炸波传播方向和速度的变化趋势 更重要的是 爆炸波后的粉体流的速度如何增长 飞行器在空中高速飞行 突然遇到空中雨滴 雨滴 和飞行器周围空气帽互作用时对飞行安全的影响 军事方面的高能武器导电气溶胶 f a e 等都需要气溶胶云团的形成技术和理论支持 因此 近些年人们对该方面关注颇深 激波与微粒相互作用形成气溶胶的过程是一个不稳定的两项流状态 在自然生活和 工业工程中人们也总能发现此状态 冲击波引起的粉末的飞散 平板上无束缚的颗粒云 经过冲击被时的运动状态 利用颗粒层或泡沫保护爆破时其他建筑物 火山爆发时燃烧 碎屑物的流动 雪崩等等 激波与微粒作用时 若是液体 一般会经历变形 两次破碎 雾化的过程 若为蚓体 颗粒层经过激波时 整体浓度会变少 且横向和纵向方向浓度 变化不一样 同时不同条件固体 抛撤的规律也不一样 国内外专家在澈波与微粒相互作用方面开展了诸多相关研究 包括为激波抛撒微粒 的过程寻求合理的物理数学公式 激波与微粒作用时各参数的影响因子 激波与不同 形状液滴相互作用时模型建立等 如 g a r d n e r t l 从受力稳定性的角度探究抛撒雾化机 理 薛社生等 2 利用相似性对尺度效应进行过程规律性概括 w i e r z b a t 3 等人通过实验 研究及数值模拟计算结果对比来分析颗粒运行中的主要影响因子 潘建平 4 i 等同样用 实验和模拟对来研究激波作用产生的诱导气流与液体的两种形态 液幕和液柱的相互 作用过程 范宝春 5 l 等从被作用的介质密度出发 研究激波与低密度物体相互作用的 特点 液体和固体介质在气流或激波作用下的分散和运动规律研究是一个典型的多相流 问题 具有极其重要的学术和实用价值 如何对作用后形成的云团形状和介质浓度控制 是应用激波与微粒作用机理的关键点 所以必须首先弄清楚其中规律并将规律模型化且 最终回归到机理问题 近几十年 国内外专家从各个角度对激波与微粒相互作用进行了 相关的实验 模拟和机理研究睁 但因为气溶胶中的微粒和冲击波相互作用时涉及到 i 1 绪论硕士论文 各种复杂的流体动力学以及热交换等 研究还不是很完善 还需要大量深入研究 1 2 国内外现状 激波与微粒相互作用形成的气溶胶 其界面不稳定性的后期发展是复杂的非线性现 象 很难单独的从某方面来研究清楚 需要大量实验和计算研究 该方面的有关研究始于l e w i s 的一系列的实验研究 1 4 b i r k h o f 维l e w i s 的理论分析 基础上 又提出了非线性界面发展的五阶段划分概念 1 5 1 6 1 b l o u n t 1 7 1 r e a d 1 引 j a c o b s 和c a t t o n 等人也进行了相关的实验工作 1 9 至今研究成果比较显著且被大多数人认同的 当属法德联合研究所 i s l i s l 的s a m i r a n tm 等人 2 0 利用多种测试技术研究了液体燃 料爆炸抛撒及f a e 云雾的形成过程 他们采用闪频激光技术确定液滴粒径 用光纤和激 光多谱勒系统测定液滴运动速度及液滴存在寿命及f a e 云雾爆轰反应区的抛撒密度变 化 对于燃料被爆炸抛撒至无约束空间内 用液体燃料着色方法及在其中加碘的方法进 行可见光照相和x 射线闪光照相 另外 他们还利用荧光照相和高速照相获得了外壳破 裂 液体喷出以及液膜破裂图片 并确定了液滴抛撒粒径的初始分布和初始尺寸等 这 些数据 多年来一直被认为是用于液体燃料爆炸抛撒近场阶段数值模拟的经典数据 当然 其他专家也在进行相应研究 r o s e n b l a n t tm 等人 2 l 为了实现液体环的轴对 称径向扩展运动 建立了一种由竖直无膜激波管和液体环发生器组成的实验设备 可用 其观察轴对称液体环在轴向运动受约束时的形成 变形和破碎过程 对液滴破碎过程的 了解有助于理解液体在远场阶段的二次破碎问题 国外研究人员对液滴在气流作用下的 变形 破碎问题进行了较为深入的研究 我国研究人员史绍熙 都大光等 2 2 2 3 通过实验 发现 在适当的条件下 非轴对称模式会成为气流运动中最不稳定的模式 并肯定了该 模式在射流破碎中的重要作用 非轴对称模式表明 液体在雾化初始阶段会产生扰动波 扰动波由表及里 不断向周围与中心发展 并最终将射流撕裂成大液滴 之后大液滴进 一步破碎成小液滴 除了实验研究 研究人员开发了不同的程序对气溶胶的过程进行数 值模拟 其中最具有代表性的是d a v i d rg a r d n e r 开发的对云爆过程近场进行数值模拟 的c t h 程序及m i c h e a lwg l a s s 开发的对云爆过程远场进行数值模拟的k i v a f a e 程 序 在整体爆炸抛撒实验中 常用的测试方法是利用高速录像机记录气被抛撒介质在中 心装药爆炸产生的激波驱动下 在空气中形成可燃物气溶胶云团过程 2 4 2 5 1 先进的光电 技术的引入更加促进了云爆过程的实验测试技术 陈军 2 6 等利用d o b b i n s 2 7 激光散射方 法研究了f a e 爆炸抛撒后流场的不同空间位置的液滴s a u t e r 平均直径随时间的变化过 程 刘奇 lt 2 8 等利用激光散射仪和纹影仪观测到液体抛撒首次破碎并测得二次破碎过程 中液体颗粒尺寸 这些研究能对气溶胶云团形状 云团膨胀速度 云团平均密度及固定 位置的平均颗粒尺寸进行测试或预估 蔡庆军 2 9 刁l j 等采用阴影照相技术观测了液体环首 2 硕士论文激被与微粒相互作用研究 次破碎的过程 采用纹影法研究了液体环首次破碎后期液体的失稳现象 用激光散射方 法研究了液体环的二次破碎过程 杨磊1 3 2 1 等研究了轴向气流作用下液体轴对称抛撒二次 破碎过程 胡拣 j 等利用纹影技术初步研究了炸药爆轰后驱动水外界面的变形过程 但 对炸药与水的内表面未进行研究 同时北京应用物理与计算数学研究所对云爆过程的数 值模拟进行了大量的研究工作 拥有具有自主产权的大型计算程序 刘家骢 丁珏 解 立峰和席志德等1 3 蚰吼 在云爆过程的数值模拟方面也进行了一些研究 军事应用中 云爆武器是气溶胶的一个典型应用 其作用原理是在战斗音i 里装填燃 料 作用时先将燃料抛撒在空气中 一般通过爆炸抛撒 使燃料与空气形成空气气溶 胶 适当条件下 再将气溶胶引爆 从而产生高温高压及冲击波对标的区或物造成一定 程度破坏 其性能优越性也越来越受到各国的重视 从七十年代开始我国已开始对云爆 武器研究 同时 该方面的数值模拟计算也进行了相应研究 丁珏 3 6 等对形成过程进行 了分阶段模拟 用运动边界处理方法建立了 维气相流动模型和液相运动模型研究近场 阶段 用多相流模型描述云雾膨胀运动过程对远场阶段研究 并将两阶段耦合 对抛撒 全过程编制程序 数值计算的云雾外形变化曲线与实验结果具有较好的一致性 在此基 础上 席志德等建立了更形象的二维轴对称气相流动数学模型用于近场阶段的流畅研 究 并在具有轴向速度的液体燃料爆炸抛撒过程进行了应用 蔡斌等则从数值计算结果 将液滴的破碎类型进行分类 但其模型计算过程中忽略了液滴高速运动中相变问题 园 气溶胶彤成过程的复杂性 各项研究均未完全弄清气云形成过程的激波与微粒作用机 理 比如 液体粘性对爆炸抛撒形成气溶胶过程中 介质变形 分裂 破碎以及湍流混 合过程影响研究在国内外仍旧是空白 1 3 本文工作 本课题是国家自然基金项目 气溶胶云团形成过程的理论与实验研究 的主要研究 内容之一 项目组前期研究已经得出一定条件下的固体颗粒群和一定大小的水漓在弱马 赫数 1 0 5 一1 2 6 的冲击波下的形态变化和一些物理参数的变化规律 同时 将数值模 拟和相应的寅验结果进行比对 进而更准确解释实验现象 本文研究在原有基础上 通过实验 数值模拟等方法 研究激波驱动液膜 固体微 粒及不同密度物体的运动规律 并对气溶胶的典型应用f a e 装置抛撒过程进行相关数 值模拟 探讨不同形状液体和不同物理参数的液体在激波驱动作用下形成气溶胶的抛撒 过程规律 揭示气溶胶云团形成的物理现象 提供气液 气固相间相互作用的基础数据 主要工作如下 1 激波与液膜相互作用的实验研究 2 激波与固体颗粒相互作用的实验研究 3 激波与不同密度物体相互作用的实验研究 j 1 绪论硕士论文 4 4 f a e 装置抛撒数值模拟研究 硕士论文 激波与微粒相互作用研究 2 激波与液膜相互作用的实验研究 2 1 引言 因为液体原子化的应用 如不稳定燃烧火焰喷射 高速飞行器和雨滴相遇 可燃液 体与空气反应发生爆炸等情况 都涉及到液体破碎问题 自从l a n e 在1 9 5 1 年对运动气流中悬浮液滴的力学行为进行实验观测以来 大量研究 成果表吲盯j 在不同的w e b e r 数和o h n e s o r g e 数时 物体表现出各种不同变形和破碎模式 这个结论是毋庸置疑的 其中 w e b e r 数为惯性力和表面张力之比 o h 数是粘性力和表 面张力之比 按动力学分类 液体可分别建立变形期和剥离破碎期的动力学模型高速气 流下 液膜迅速分裂成液滴 我们知道 当w e b e r 1 2 球形液滴变形为狭长环状 并 最终分裂两个小球形液滴 此状态被称为振荡变形 当1 2 w e b e r 弋 5 0 球状液滴先变 形为椭球体 并在椭球体的最大截面积圆上率先破碎 因为状态形似袋口 被称为袋式 破碎 当5 0 w e b e r 弋 10 0 球形液滴变形为椭球体后 除了最大截面积圆上发生破碎 同时在椭球体中心也有破碎 其状态形似花中雄蕊 被称为袋蕊破碎 当1 0 0 w e b e r 3 5 0 球状液滴被激波压成很薄的片状物 片状物表面逐步破碎雾化 被称为片状剥 离 当3 5 0 2 1 5 3 2 1 5 1 说明水膜厚度对云团水平方向成长位移的影响比马赫数大 图2 1 1 为四种条件下水膜与激波作用时 云团竖直方向成长的位移随时间变化趋 势 图中显示 1 在5 0 0 0 9 s 内 四条曲线斜率基本保持不变说明云团竖直方向位移的 成长速度基本保持不变 2 1 0 1 5 3 曲线和0 2 1 5 3 曲线斜率分别比1 0 1 5 1 和0 2 1 5 1 大 说 明竖直方向位移成长速度与马赫数成正比 3 同马赫数下 竖直方向位移成长速度的 与水膜厚度成反比 图2 1 2 为四种条件下水膜与激波作用时 雾化云团水平和竖直方向位移成长比较 图中显示 1 水平方向位移增长到1 5 0 m m 前 曲线斜率 0 5 即竖直方向增长速度没 水平方向快 2 水平方向位移增长到1 5 0 m m 前 曲线基本保持线性走势 即不论水平 方向或者竖直方向 云团成长速度基本不变 3 水平位移1 5 0 m m 处 2 1 5 1 曲线和2 1 5 3 曲线斜率突然增大 即此时竖直方向成长速度比水平快 激波与水膜作用时 从瞬间受力分析 水一方面受到激波给的超强冲量 另一方面 有雾化水与空气相对运动形成的气动阻力 流场受力异常复杂 但从一个较长时间段来 分析 瞬间加速度作用于水膜整体后 复杂受力瞬间结束 抛撒液体的运动应遵循类似 平抛运动 这与图2 1 0 2 1 1 2 1 2 中曲线特点相对应 1 2 3 5 0 3 0 0 2 5 0 2 0 0 1 5 0 1 0 0 5 0 0 o 时间 i is 图2 1 0 四种条件下水膜雾化云团横向位移随时间变化曲线 兽盐冱窟餐 硕士论文激波与微粒相互作用研究 6 0 0 5 0 0 4 0 0 3 0 0 2 0 0 1 0 0 o 01 0 0 02 0 0 0 3 0 0 0 4 0 0 0 5 0 0 0 时间 1 ls 图2 1 l四种条件下水膜雾化云团纵向位移随时间变化趋势 0 5 0 1 0 0 1 5 02 0 02 5 03 0 03 5 0 横向位移 姗 图2 1 2 四种条件下水膜雾化横向位移与纵向位移比较 2 不同情况水膜形成的最大云团参数规律 按照资料 3 9 所述 当液体完全与原来状态脱离时 此时的破碎可看做完全破碎 所 以本文将此刻的雾化云团定义为最大云团 依照上文所用方法获得各实验条件下形成的 云团直径 高度 同时将云团近似成椭球体 计算得出云团体积 图2 1 3 一图2 1 5 分 别是不同强度激波作用于不同厚度水膜时抛撒形成的最大云团直径 高度 体积 分析 图中曲线走势 可以得出以下规律 1 某马赫数下 随着水膜厚度变化 云团直径 高度 体积走势一致 且在6 m m 厚时各值都出现拐点 2 某一马赫数下 云团直径 高度 体积变化随着初始液膜膜厚度增加呈现先减小后增大的u 型抛物线变化趋势 即 2 m m 和l o m m 相似 4 m m 和8 m m 相似 0 0 o o o 0 o 印 如 加 加 喜逾鞫姜 u弓娥羁要 2 激波与液膜相互作用的实验研究硕士论文 e m l i 5 4 3 5 0 一 4 1 m 2 1 7 3 3 0 0 量2 5 0 难2 0 0 删1 5 0 匣1 0 0 1 h 5 0 o 旨 瑙 键 圆 1 0 0 0 0 0 0 o o o o 0 o 2 管o 1 5 鬟 围 0 0 5 0 024681 01 2 水膜厚度 姗 图2 1 3 不同强度激波作用于不同厚度水膜时抛撒的最大云团直径 e m l l 5 4 04681 0 1 2 水膜厚度 姗 图2 1 4 不同强度激波作用于不同厚度水膜时抛撒的最大云团高度 024681 01 2 水膜厚度 哪 图2 1 5 不同强度激波作用于不同厚度水膜时抛撒的最大云团体积m 3 3 同马赫数下 不同厚度水膜抛撒状态规律 因为重力作用及液体与空气间的摩擦作用等 在一定马赫数下 不同厚度水膜 其抛撒状态不一样 实验中总共有三种马赫数 即三组图片 比较每组图片云团成 长规律 相互之间规律一致 选出马赫数为1 7 3 时的一组图片 见图2 1 6 作为同马 赫数下 不同厚度水膜的抛撒状态说明 观察图片发现以下规律 1 6 m m 水膜抛 撒雾化形状与其他不同 2 随着厚度增加 云团形状由纺锤体状向球状靠近 抛撒 密度也更均匀 实验条件 2 r a m 水膜 加高1 5 m m m 2 1 7 3 1 4 硕t 论文 激被与微粒相i 作用研究 实验条件 矗叁垒羹垒垒 4 m m 水膜 加高1 5 m m m 2 l7 3 一由 量垒垒 实验条件 6 m m 水膜 加高1 5 m m m 2 17 3 一一 垒 实验条件 8 m m 水膜 加高1 5 r a m m 2 1 7 3 实验条件 l o m m 水膜 加高1 5 r a m m 2 i7 3 一一一 图21 6 马赫数为i7 3 5 种厚度水膜的抛撒状况比较 4 同水膜厚度 不同马赫数下水膜抛撤状态规律 2 触被5 涟膜月 作用的实验研究 硕 论文 同水膜厚度不同马赫数的抛撒图片共有5 组 每组问的变化规律一致 图2 为 其中一组 从图中可以看出 1 雾化云团高度与马赫数大小成正比 2 马赫数越大 雾化云团密度越稳定 图片中的黑暗程度越一致 实验条件 8 m m 水膜 加高1 5 r a n l m l i5 4 一一 盎 叁童叁垒 富一 实验条件 8 m m 水膜 加高i5 m m m 3 d 鲁叁 图21 7 三种强度激渡作用于8 m m 水膜时的抛撒情况 2 3 3 撤波抛撒不同液膜作用过程 1 水膜与丙三醇的高速录像抛撒状态规律 图21 8 为马赫数为18 的激波分别和l o m m 厚的水膜 丙三酵膜作用过程 我们知 道 丙三醇的表面张力小于水 但其粘性比水大 这些物性参数与液体抛撒状态紧密联 系 观察图片发现 在作用初期 丙三醇雾化云团中点有凹陷 随后凹陷处变成峰状然 后整体变成规则扇形 而水膜雾化云团始终保持球状成长 液体经过变形 破碎小液滴 小液滴再进一步变形破碎最终形成云团 液体变形是 液体内各微元体之间不断发生相对位移的过程 当液滴内徽元体的位移超过一定范围 时 液滴就要破碎 在此过程中 气动压力使液滴变形 而表面张力和内部粘性阻力阻 碍液滴变形 图21 8 中丙三醇的雾化云团形状变化正是其内部粘性阻力阻碍变形 导 1 6 碗 论女 澈墟与锤粒 互作川研究 致凹陷出现 所以从图21 8 中能得出以f 规律 o 4 i n 物性参数的液体与激波作用时 形成的云团形状不同 2 表面张力小的液体形成的云团边缘易形成树枝状液条 实验条件 i o m m 丙三醇 加高1 5 m m m 3 1 8 日凸鲁 实验条件 1 0 m m 水版 加高 5 m m m 3 叁叁 叁 叁 一一 j 图218 激波作用于不同液膜时的抛撒情况 f 1 2 水膜与丙三醇抛撤最大云团参数比较 与上文一致 此处最大云团定义为 雾化云团脱离了液体最初始位置时为最大云团 图21 9 和圈22 0 分别是两种马赫数下 水膜和丙三酵的最大云团参数 因为实验测试 条件有限 数据不是很多 两图的曲线走势并不完全一致但两者之间存在必然规律 观 察两图发现 1 随着马赫数的增加 水和丙三醇的云团直径问的差距变小 2 丙三醇 云团直径曲线比水的直径曲线变化平缓 说明水膜厚度对丙三醇水平方向的雾化速度影 响不如水膜明显 a 最大云团直径 液麒厚度 叫 b 云团体积膨胀速度 图21 91 5 4 马赫数下水和丙三醇抛撒云团参数对比 2 激波与液膜相互作用的实验研究硕士论文 0 24681 01 2 液膜厚度 衄 a 最大云团直径b 云团体积膨胀速度 图2 2 01 8 马赫数下水和丙三醇抛撒云团参数对比 2 4 本章小结 在课题组之前研究基础上 本章建立了一套系统化的激波管测试装置 通过比较验 证选用2 0 0 目不锈钢网作为承液物 并将其粘接在专门加工的2 4 6 8 l o m m 的法 兰板上 从而形成不同厚度液膜 在压力 高速录像 高速阴影照相等测试系统的联合 作用下 分别进行了马赫数为1 5 4 1 7 3 1 8 的激波与水膜和丙三醇膜的抛撒雾化实 验 并初步得到以下结论 1 实验装置中承装液体的不锈钢网对激波马赫数几乎无影响 2 因为激波完全膨胀时与液膜的作用面积比激波欠膨胀时大 液膜距离激波管i 1 1 5 m m 比o m m 时 液体抛撒形成的云团形状更规则 密度更均匀 3 作用初期 1 5 0 0 1 咀s 水膜雾化云团水平位移增长速度快 随后不再增长 但竖 直方向在5 0 0 0 1 t s 内 增长速度均衡 4 液膜雾化云团的水平位移与水膜厚度 激波马赫数成正比 且初始液膜厚度对 水平位移影响更大 而竖直位移与马赫数成正比 与厚度成反比 5 一定马赫数下 液膜形成的最大云团体积随着初始液膜厚度增加呈现先减小后 增大的u 型抛物线变化趋势 且随着液膜厚度增加 云团形状由纺锤体向球体转变 6 一定液膜厚度下 抛撒云团均匀程度与马赫数成正比 7 不同液体形成云团形状不同 在某个阶段 1 5 0 0 弘左右 粘性较大液体云团有凹 陷点 随着时间推移 凹陷点处出现峰状 且表面张力小的液体云团边缘更易生成树枝 状液条 1 8 o 9 8 7 丘5 4 3 2 l o 一 3 l 艘酱龄聪簟匠咐 硕士论文 激波与微粒相互作用研究 3 激波与固体微粒相互实验研究 3 1 引言 大多数从事粉体生产和加工工艺的产商都应该关注粉尘爆炸的危险 导致粉尘爆炸 的一个重要原因就是冲击波在可燃粉尘与空气间的传播 粉尘爆炸式激波与固体颗粒相互作用的典型例子 爆炸波后的环境温度和压力变化 是一个复杂的平衡状态转变过程 特别是波阵面后的气流运动速度的确定 尤其需要大 量实验及数值模拟研究 该方面 s o o 等人和i v a n d a e v 等人分别于1 9 7 1 年和1 9 8 1 年对 其进行了研究 针对激波与固体颗粒的相互作用研究工作时 冲击波波后的气流速度一般为亚音 速 超音速情况下的大马赫数及大范围的速度变化时速度的不稳定方面涉及很少 其间 1 9 7 2 年时巴里和海特 1 9 7 6 年时巴里和斯特尔 分别通过实验得到了大量单一颗粒与 激波作用时的气动阻力系数数据 另外 卡森和霍格兰德分别在1 9 7 2 年1 9 7 6 年 海德 森在1 9 6 4 年 鲁德林在1 9 7 6 年 赛尔伯格在1 9 7 0 年 尼古拉斯在1 9 6 8 年都分别获得 单个颗粒的气动阻力系数 与马赫数 雷诺数相关 的实验数值 然而 高浓度下的颗粒 群与激波作用时的气动阻力擦系数值与单一颗粒与激波作用时的气动阻力系数值相差 很大 1 9 6 4 年哥比斯发现 浓度为5 的颗粒在低速两相流中作用与浓度为1 的颗粒 在超音速喷射区作用时 颗粒群和单一颗粒表现的气动阻力系数差别相当明显 对于激波波阵面后的两相流问题特别是该过程中的特征 人们了解不多 需要更加 深入的研究 在2 0 0 0 年加拿大学者e z h a n g 通过液体炸药产生冲击波将球形的玻璃装 置里颗粒群抛撒的实验研究及相关的数值模拟分析 研究发现 颗粒群穿过激波前锋只 要取决于装置形状 装置大小和颗粒群的密度 而且当装置大小一定时 颗粒群穿过波 前锋的粒径存在临界值 本章进行了颗粒群的相关实验研究 其中 驱动激波波分别由压缩空气和爆炸物产 生 3 2 压缩空气激波抛撒固体颗粒实验 实验在装置2 2 中进行 马赫数1 4 管口冲击波对4 0 6 0 目石英固体颗粒抛撒如图 3 1 所示 固体颗粒置于不锈钢网上 堆积形状为直径1 6 m m 高2 m m 的圆柱 1 9 3 撒波与周件微粒相互实验研究 硎 论女 口 口 口脚 图3 l 马赫数14 管口冲击波 离管口1 5 r a m 对4 0 6 0 日石英固体颗粒抛撒 观察图31 发现 1 激波透过砂堆以规则的球形状继续往上走 并在金属板的左右 两端有规则绕射 2 激波的高能量给之前静止的砂堆一个突然加速度 砂粒迅速向周 围抛撒 3 悃为砂粒的反射作用 激波过后 在金属板和激波管口之间的气流混乱度 明显增大 4 砂与激波作用初始时期 0us 因为自由度大 表层砂粒首先被抛出并均 匀稀释 同时 被稀释的砂粒在流场中高速运动 加速了其他砂粒的抛撒 并成为后期 1 2 0u 订沙砾抛撤的主要动力 该现象与f z h a n 9 1 4 0 等在2 0 0 0 年的沙砾爆炸抛撤实验 中一致 3 3 爆炸产生激波抛撒固体颗粒实验 爆炸产生微波抛撒颗粒的实验系统由抛撒推进器 点火器 测压系统及录像机等组 成 抛擞推进器见图3 2 选取不同的膜片和装药量 即得到不同强度的激波 论文微波与微 目h 作月讲究 巨 t oi 3 m sl 6 m s t 9 m st 1 2 m s 户1 5 m s 蚓3 3 同体颗粒抛撒圈 堆密度i i4 9 e m 3 b 圈3 4 实验条仲 m l9 6 t 颗粒粒径1 3 08 1i m m 颗粒质量m 1 5 9 抛撒扣迷应v 2 69 2 m s 3 撖波与同件微粒相 实验研究 论文 t 0t 3 m s i 6 m st 一9 m st 1 2 m st 1 5 m s 图3 4 固体颗粒抛撒图 堆密度p 15g k m 3 c 罔3 5 蜜验条件 m i9 6 颗粒粒径d 0 4 2 m m 颗粒质量m i5 9 抛撒初速度v 3 1 7 6 m s i 0t 3 bt 6 m sr 9 m sf 1 2 m s t 1 5 m s 图3 5 吲体颗粒抛撒圈 堆密度p l6 5g k 一 d n3 6 实验条件 m 1 a 7 颗粒粒径d 2 3 m m 颗粒质量m 5 9 抛撒初速度v 2 15 2 m l s t lm st 0 m st 3 m st 4 m s1 5 m st 6 m st 7 m st 8 m s 图3 6 固体颗粒抛撒图 堆密度p i4 c m e 图37 实验条件 m i4 7 颗粒粒释d 08 1i m m 颗粒t 噩量m s g 抛撒初速度v 2 42 4 m s 硕 论女 撤被与微粒相 作用研究 i l l o仁lm s1 2 m st 3 m st 4 m s t 5 m st 6 m s 图37 吲体颗粒抛撒图 堆密度p l5 c m 3 f 围3 8 实验条忭 m l4 7 t 颗粒粒径d 04 2 r a m 颗粒质颦m 5 9 抛撒初速度v 2 7 4 m s t ot im s t l l 2 m st 3m st 4r n st 5 m si 6 m st 7 m st 8 m s 图3 8 同体颗粒抛撒图 堆密度p l6 5g k m 3 g 目3 9 实验条件 m 15 5 t 颗粒粒径d 2 3 m m 颗粒质量m l g 抛撒初速度v 3 0i m s t ot m s t 2 m s 3 微波 蝌体微粒相 央 研究ml 论文 t 5 m s1 6 m st 7 m st 8 m st 9 m s 图3 9 固体颗粒抛撒圉 堆密度p i1 4g c m 3 h 目31 0 实验条件 m i4 4 颗粒粒径d 0 肛l r n m 颗粒质晕m l g 抛撒初速度v 3 58 m s t 5 m sr 6 m s1 7 m st 8 i r i st 9 m s 嘲31 0 而体颗粒抛撒网 堆密度p i6 5g c m 3 3 3 2 分析与讨论 1 n 体颗粒群运动轨迹分析 根据速度大小 激波u r 分为弥散激波 叩流场中气体相对激波的速度大于气体声速 和完全弥散激波 即流场中气体相对激波的速度小于气体声速 实验巾所用激波马赫数 2 4 碰 论i 微波与微粒相互作用研究 m i9 6 属于弥散激波 实验中各种粒径大小的颗粒群抛撒运动轨迹如图31 1 图3 1 i 固体颗粒运动轨垃 图中各曲线均为抛物线加速段 曲线斜率逐渐增大 即颗粒群运动速度随着时间的 推移逐渐加快 由牛顿学分析 在加速段后必然有减速并最终停止运动状态 但由于视 场有限 无法获得颗粒群运动后期状态 速度减慢段 激波与颗粒群作用后 颗粒瞬间获得运动初速度 开始加速运动 而激波后气体因 为摩擦阻力作用速度下降 温度上升 此时激波后气体 颗粒两相温度 速度非平衡状 态便立即形成 在颗粒相和气相达到下一个新平衡状态之前 流场会出现一段时间非平 衡区 该时间内气相热力学参数 压强 密度和温度以及运动学参数速度发生间断 满 足r a n k i n e h u g o n i o t 激波关系式 但随着时间推进 两相之问通过热传递和阻尼作用 不断地交换动量和能量 并虽终达到下一个平衡状态 同时 大粒径颗粒的轨迹曲线的 斜率比小粒径大 说明在同激波强度下 大粒径的运动的速度比小粒径的大 2 激波与固体颗粒群作用的波系结构 激波与颗粒群相遇时 颗粒群在瞬间获得足够的冲量向四周抛撒 同时颗粒群对激 波产生反作用 产生了反射激波和稀疏波等 压力波形图如图3 1 2 图31 3 所示 入射波反射波稀疏波 tm 5 图31 2 激波与粒径为2 3 r a m 的颗粒作用波形图 3 激浊与吲体微粒相且实验q 院顿 论文 图31 3 微波与粒径为04 2 r a m 的颗粒作羽波形圈 图中压力值偏大曲线为破膜前压力曲线 偏小的则是破膜后压力曲线 从图31 2 图31 3 中可以看出 同强度微波 m 19 6 下 2 3 m m 粒径的颗粒被作 用时 入射微波压力为1 9 5 m p a 反射激波堆力为2 倍的入射激波压力f 38 m p a 且反 射激波速度m 2 1 1 而04 2 r a m 粒径的颗粒被作用时 入射激波压力为22 6 m p a 反射 激波压力为1 7 倍的入射激波压力 3 9 m p a 其反射激波速度m 22 3 由此可见 同强度激波 m i9 6 作用下 堆密度p i6 5 9 c m 3 即颗粒粒径 d 04 2 m m 的颗粒比堆密度p 14 9 c m 3 即颗粒粒径d 2 3 m m 的颗粒的入射激波压 力 a p l 03 1 m p a 反射激波压力 a p 2 01 m p a 和反射激波速度 a m 01 2 的值大 分析上述现象 得出其原因 小粒径颗粒 与激波作用后 流场中单位空间内分布 的颗粒数会比大粒径颗粒多 即激波穿过颗粒层遇到的阻力会越大 如图31 4 所示 所以其反射激波强度和反射激波压力也越大 t 3 4 本章小结 图31 4 激波与颗粒群作h j 示意巨 x t x 激波与固体颗粒群的相互作用过程足一个典型的非线性力学过程 其中会出现激波 的复杂反射 衍射 聚焦等现象 并存在波后气体 颗粒两相温度 速度非平衡状态 本章通过比较同强度激波与不同粒径颗粒群作用的图片及压力曲线可以得到以下结论 1 涸体颗粒与激波作用初期 表层颗粒最先被抛山并均匀稀释 同时 被稀释的 颗粒在流场中高速运动 加速了其他砂粒的抛撒 并成为颗粒后期运动主要动力 ri扩獬惜 群 晰 左 硕士论文 激波与微粒相互作用研究 2 激波与颗粒相遇时 颗粒群立即获得一个巨大加速度 向四周抛撒 颗粒的运动 轨迹为规则抛物线 且粒径大的颗粒运动速度更快 整个砂群的抛撒形状为圆锥状 3 在同强度激波作用下 颗粒粒径与抛撒