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《南京航空航天大学》 2018年
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不规则砂尘的气动力特性研究

王晨曦  
【摘要】:惯性式粒子分离器作为直升机在砂尘环境下的进气防护装置,对延长涡轴发动机的使用寿命至关重要。在以往的粒子分离器设计过程中,往往将砂尘颗粒简化为理想圆球,或者使用经验公式求解砂尘的阻力系数,而这些经验公式存在着很大误差。为了能够更为准确得预测砂尘轨迹,本文着眼于自然界中有着不规则形貌的砂尘颗粒,研究砂尘颗粒在不同流场条件下的受力。首先,使用激光衍射法测定了美军标测试砂AC砂与C砂的粒径分布,结合粒子分离器流道内的速度分布,估算出了粒子分离器内砂尘运动的雷诺数范围。根据粒径分布曲线,AC砂的主要粒径分布范围为30~100um,C砂粒径分布范围为140~400um。使用显微图像法分析了砂尘颗粒的投影截面,使用形状因子圆度与长宽比描述砂尘的形貌特征。结果表明,砂尘颗粒的形状明显区别于理想圆球,砂尘多为棱角明显的非规则颗粒。根据观察到的投影形状,结合高度方向上的假设,本文给出了几种简化的砂尘模型。其次,对上文给出的几种简化几何模型的绕流流场进行数值仿真研究,研究了它们在不同雷诺数、不同攻角下的绕流流场,并计算了相应的阻力系数。不同形状的颗粒阻力系数随雷诺数变化的整体趋势一致,即随着雷诺数的增加,阻力系数逐渐降低。高雷诺数下,攻角对于阻力系数的影响更为明显。若所有颗粒均以最大迎风面积正对来流,那么阻力系数随着颗粒球形度的减小而增大,意味着颗粒的形状越不规则,其阻力系数越大。最后,采用均质的普通方块和非均质的拼接方块进行了沉降实验研究。实验结果表明,普通方块随着雷诺数的增加,会依次经历稳定、摇晃和翻滚三种沉降状态。在低雷诺数下,均质方块以随机的角度稳定沉降,因此无法通过实验获得固定角度下的阻力系数。而拼接方块由于偏心力矩的作用,在低雷诺数下以固定角度稳定沉降。此外,拼接方块不稳定运动的幅度大幅减小,其在高雷诺数范围内的沉降阻力系数也显著低于普通方块。对于以固定角度稳定沉降的拼接方块,其阻力系数与本文仿真得到的数据相吻合,表明拼接颗粒可以用于沉降实验中测定固定角度下的阻力系数。
【学位授予单位】:南京航空航天大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:V275.1

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