基于缩放喷管的超声速气固两相流动特性数值研究

【摘要】：超声速气固两相流是一个比较重要的课题，它在民用、工业和国防中发挥着重要的作用。但它会和很多复杂的物理现象联系在一起，由于固体颗粒的加入，流场中将会增加很多附加力，像Basset力等。试验表明，颗粒和湍流之间的相互作用，颗粒之间相互作用以及颗粒和管壁之间的作用，颗粒的物理性能（大小，形状，密度）等和边界条件（管壁的粗糙度，进出口压强比）都能影响到粒子的流动。 本文研究了气固两相流在缩放喷管内的流动。主要包含两部分内容，第一部分采用了单流体模型对携带微小固体颗粒的气固两相流在准一维喷管内的流动进行了理论分析研究。试图通过发展一种新的理论模型来评估不同压强和装载率以及颗粒直径对于超声速气固两相流动的影响。在一元等熵流动方程的基础上进行拓展以使其能求解准一维稳态的质量、动量守恒公式，并且分析了不同工况下的气固两相流的质量流量、马赫数以及推力系数等参数。 第二部分采用数值模拟方法和离散相模型研究了超声速气固两相流的二维流动情况。使用了GAMBIT做网格划分，商业软件FLUENT作为计算软件。试图获得颗粒装载率、颗粒直径、颗粒密度以及进出口压强比等参数对于气固两相流的影响。在计算中采用了N-S方程和k-ω湍流模型来求解气相的流动，使用了非定常的离散相模型来模拟预测固体颗粒的流动。 研究结果显示，固体颗粒的存在给流动带来很大的影响。气相的激波强度、激波位置、分离点的位置都随着固体颗粒的加入而发生变化；随着固体颗粒装载率、直径、密度的变化，激波强度、位置以及分离点的位置和固体颗粒的集中分布情况呈现不同的变化趋势，而进出口压强比是影响固体颗粒空间和速度分布的一个较大因素。