气粒热流场中微粒特性的动力学分析

【摘要】： 气粒多相流动广泛地存在于自然界及能源、化工、石油、矿业、建筑、水利、轻工、冶金环保等各个领域。煤粉输送、原油开采、污水排放、粉尘测量、气力输送、航空航天推进等生产、工作过程都包含气粒多相流动。气粒多相流动中往往伴随着传热传质、化学反应、相变等,相与相间的质量、动量、能量和热的相互作用十分复杂。而目前对于微粒(包括固体颗粒和液滴)在热作用下受力和运动特性、相变,微粒之间的相互作用,微粒的撞击、反弹、凝结、融化等很多问题没有得到很好的解决,而这些又恰恰对很多生产和工作过程产生很大的影响。 本文在国内外学者研究成果的基础上,结合理论分析和数值研究的方法,主要完成以下几项工作： 对流场中的单颗粒进行了受力分析,并针对颗粒运动影响最大的气动阻力,建立了层流和湍流情况下计算球形单颗粒气动阻力的数学模型。计算了颗粒与气体不同温差情况下高温颗粒的气动阻力,并根据计算数据点拟合了计算公式。 建立气相和微粒相的基本控制方程组和数值计算方法,在此基础上,考虑微粒之间以及微粒与壁面之间的相互作用,建立了微粒相互碰撞模型、微粒与壁面碰撞与沉积模型,进一步完善了多相动力学模型。 以铝／水燃料发动机复杂多相热内流场为研究对象,补充建立铝颗粒的气化相变和热反应模型、水液滴的雾化和相变模型、辐射模型。模拟验证了某实验发动机点火试验。 对不同情况下某概念发动机内流场进行三维数值模拟和多相热动力学分析,描述了水液滴和铝颗粒在流场中的运动、蒸发、碰撞、相变等情况,分析了水喷射形式和角度、铝颗粒含量、主燃烧室和补燃室的水量配比等因素对多相掺混效果和发动机性能的影响,讨论和确定了能够最大程度上提高多相掺混效果的各参数的最佳值。 本文对气粒热流场中微粒的特性和行为进行了较多的探索性研究和动力学分析,进一步完善了相应的基础理论。同时对典型的铝／水燃料发动机复杂多相流场的研究可以为相关的工程设计及优化提供参考。