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激波与微粒相互作用研究

饶丽芳  
【摘要】: 激波与微粒相互作用在民用粉尘爆炸和军事上云爆武器等领域都有应用,具有很重要的研究价值,成为了近年来学术界关注的热门课题。但因该过程涉及到各种复杂的流体动力学、空气动力学、爆炸力学以及热交换等,研究成果还很不完善,仍需大量深入研究。 本文设计了专用激波管实验装置,采用实验观测和数值模拟方法对激波与微粒的相互作用进行了系统的研究。其中,实验中系统地考察了激波强度、液膜厚度、颗粒尺寸、物体密度(如火焰、水、钢板)等因素对激波与微粒的相互作用流场特征的影响,数值模拟研究了爆炸抛撒形成气溶胶过程参数。主要创新性研究成果如下: (1)激波距激波管口距离15mm处发展成为完全膨胀波,与液膜作用所形成的液雾均匀;当激波在激波管出口出与液膜作用时,由于激波为欠膨胀流,激波与液膜作用面小,所形成的液雾不均匀; (2)相同马赫数激波作用下,不同厚度液膜雾化所形成的云团形状不同;随着初始液膜厚度增加,云团形状由纺锤体状向球状转变,而云团体积呈现出先减小后增大的U形抛物线变化规律; (3)同液膜厚度下,云团均匀程度与马赫数成正比;激波与不同粘性液膜作用后所形成的云团形状不同,粘性大液体云团有凹陷点,随着时间推移,凹陷点处出现峰状,同时表面张力小的液体云团边缘更易形成树枝状液丝; (4)激波与固体颗粒作用后,颗粒的水平移动速度明显小于竖直方向,初期颗粒的运动轨迹为规则的抛物线,颗粒云形状为圆锥体。而且在相同马赫数下,颗粒抛撒初速度和反射激波强度都与颗粒粒径成反比关系; (5)激波与不同密度物体作用时,物体的初期变形驱动力及变形不同;对于低密度物体,入射激波是其变形的主要动力,且空气能侵入其中;对于较高密度物体,透射激波是主要变形的主驱动力,空气不能侵入其中;对于高密度物体,作用初期绕射激波为主驱动力,后期则是透射激波和绕射激波共同作用,空气也不能侵入其中; (6)运用不同机制建立了液体抛撒数学建模,模拟计算得出首次破碎液滴尺寸为毫米量级,同时,液滴分布呈现出靠近外壳和靠近爆轰产物区域液滴较大,而两层中间大部分低密度区为小尺寸液滴的径向分布特征。


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