激波卷扬的气体粉尘边界层的实验与数值研究

采用瞬态阴影技术和激光消光技术对激波卷扬粉尘的现象进行了实验研究，理论研究采用ＰＳＩＣ（ＰａｒｔｉｃｌｅＳｏｕｒｃｅｉｎＣｅｌｌ）模型，模型同时考虑了湍流效应及气固两相间的输运效应。结果表明，激波卷扬的粉尘颗粒在壁面附近湍流区内先被加速，一定高度后减速，从而在边界层内形成一个高颗粒浓度的区域。数值结果与实验结果基本一致。     

粉尘云激波点火现象实验研究

利用新型两相激波管成功地研究了中等强度入射激波诱导的均匀悬浮粉尘间断面点火现象。平均直径为１０ｍ的玉米粉尘由流化床均匀地分散在氧气或空气中。悬浮粉尘间断面激波点火过程由纹影法连续拍摄。结果表明:颗粒浓度对点火延迟时间影响不大，空气中的玉米粉尘点火延迟大于氧气中的值，低马赫数激波条件下尤为明显。     

沉积粉尘的激波点火

采用瞬态阴影技术及红外光电传感器技术实验研究了沉积玉米粉的激波点火过程，并对此进行了理论分析。实验与理论分析结果表明，激波掠射沉积粉尘床后，粉尘颗粒先上扬到一定高度后才点火，颗粒的点火延迟时间与激波波前马赫数、气相氧气含量等因素有关。另外，沉积粉尘的激波点火延迟时间比相同条件下的悬浮粉尘激波点火延迟时间长。     

爆轰波管中铝粉尘爆轰的数值模拟

用两相流模型对爆轰波管中的铝粉尘的爆轰波进行了研究。模型考虑了气体和颗粒两相间速度和温度的不同及由于管壁引起的对流热传导和粘性引起的耗散,考虑了由于铝颗粒表面粗糙使得表面积增加的因素。铝颗粒的点火判据使用了新的判据,即铝颗粒在激波后的气流中温度达到铝的熔点且铝全部熔化即被点火。数值模拟了内径为15.2cm的爆轰波管中铝粉尘中爆轰波的传播和发展,得到了爆轰波速度及铝颗粒点火距离,还得到了爆轰流场中物理量的分布。从前导激波面到CJ面处,两相间的速度和温度有明显的差别。还考虑了粒子由于粗糙引起的表面积增加对爆轰波的影响,这个因素对铝颗粒的点火距离的影响较大,对这里计算的铝粉尘爆轰波的速度基本没有影响。结果表明,两相流模型可以较好地描述铝粉尘的爆轰过程,得到具有很粗糙表面、平均粒子直径为3.4m的铝粉尘浓度为304g/m3时爆轰波的速度为1.63km/s,点火距离为3mm,与实验值符合较好。     

激波聚焦诱导点火和爆轰的数值研究

以二维轴对称多组分Euler方程为基础，采用非正交结构化网格和改进的波传播算法，模拟了激波在抛物形反射壁面聚焦反射诱导点火和爆轰的过程，描述了其流场形态。讨论了预混气组成、入射激波强度及反射壁面形状对点火和爆轰的影响。结果表明，激波在抛物形反射壁面顶点处聚焦反射可形成局部高温高压区域，该区域在一定条件下可点燃预混气甚至形成爆轰，其中低稀释剂浓度的预混气、较大的入射激波Mach数和较深的反射壁面有利于可燃预混气形成爆轰。     

可压缩气固混合层中离散相与连续相的相互作用研究

尽管已有许多文献采用数值模拟方法研究两相流问题,但主要是集中不可压流动方面.本文采用Eul-er-Lagrange颗粒-轨道双向耦合模型对时间模式下含有固粒的二维可压缩混合层流动进行了研究.气相流场采用非定常全Navier-Stokes方程描述,并应用具有空间三阶精度的WNND(Weighted Non-Oscillatory, Contai-ning No Free Parameters and Dissipative)格式进行数值高散.固相方程采用二阶单边三点差分离散.在考虑流场对固粒作用的同时,也计及颗粒对流场的反作用.主要研究混合层大尺度涡对颗粒扩散特性的影响及颗粒对流场结构的影响问题.在对流马赫数为0.5时,研究不同Stokes数颗粒在连续流场中的扩散特性,而在对流马赫数为0.8时研究了不同Stokes数颗粒对流场小激波结构的影响.     

强旋湍流气－固两相流动的颗粒随机轨道法模拟

应用颗粒随机轨道模型，并与一种新的代数Ｒｅｙｎｏｌｄｓ应力模型相结合，对新型煤粉涡旋燃烧炉内强旋湍流气。固两相流动进行了数值模拟。得到了与实验相符合的颗粒相密度分布和质量流分布。计算结果表明，在涡旋燃烧炉内的强旋湍流流场中，外壁附近颗粒浓度最高，颗粒停留时间加长，气－固两相间滑移速度增大。     

强旋湍流气－固两相流动的颗粒随机轨道法模拟

应用颗粒随机轨道模型，并与一种新的代数Ｒｅｙｎｏｌｄｓ应力模型相结合，对新型煤粉涡旋燃烧炉内强旋湍流气。固两相流动进行了数值模拟。得到了与实验相符合的颗粒相密度分布和质量流分布。计算结果表明，在涡旋燃烧炉内的强旋湍流流场中，外壁附近颗粒浓度最高，颗粒停留时间加长，气－固两相间滑移速度增大。     

两相正激波松弛流的数值研究

对气、固两相正激波松弛流动进行了数值研究,方程中考虑了压力梯度及非匀速运动引起的附加质量力。给出了完整的计算方法,对三种不同固相容积比、不同固相颗粒直径和不同马赫数分别进行了数值计算,所得计算结果给出了气、固两相的速度、温度、压力、密度、固相容积比及熵值沿流向分布情况。文章对气、固两相参数在松弛区中的变化规律进行了讨论。     

两相正激波松弛流的数值研究

对气、固两相正激波松弛流动进行了数值研究,方程中考虑了压力梯度及非匀速运动引起的附加质量力。给出了完整的计算方法,对三种不同固相容积比、不同固相颗粒直径和不同马赫数分别进行了数值计算,所得计算结果给出了气、固两相的速度、温度、压力、密度、固相容积比及熵值沿流向分布情况。文章对气、固两相参数在松弛区中的变化规律进行了讨论。     

铝颗粒在激波后气流作用下的点火

对铝颗粒在激波后气流作用下的点火进行了理论分析 ,用三个不同的判据得到铝颗粒点火的延时曲线并与实验进行了比较。理论分析结果表明 ,铝颗粒可以在远低于Al2 O3 的熔点被点火 ,甚至只要在铝的熔点时就被点火。提出的铝颗粒在温度达到铝的熔点且铝完全熔化时被点火这个判据在一些条件下与实验符合很好。如果铝颗粒表面的氧化层较厚 ,则点火温度为氧化铝的熔点。     

铝粉尘激波点火的实验研究

介绍了用铝粉氧化反应所生成的中间产物的特征光谱来测量铝粉尘受激波点火延迟的新的测量方法．测量了三种不同形状和粒度的铝粉尘激波点火延迟。由实验证实，当环境温度在Ａｌ２Ｏ３的熔点左右时，铝粒都可以被点火；由于机制的不同，点火延迟相差很大；点火延迟与铝粉颗粒的比表面积和活性铝的含量有关，而与环境的氧含量基本无关；但当氧含量小于１％时，铝粉尘不能被点火。     

Head on collision of a planar shock wave with a dusty gas layer

The head-on collision of a planar shock wave with a dust-air suspension is studied numerically. In this study the suspension is placed inside a conduit adjacent to its rigid end-wall. It is shown that as a result of this collision two different types of transmitted shock waves are possible, depending on the strength of the incident shock wave and the dust loading ratio in the suspension. One possibility is a partially dispersed shock wave, the other is a compression wave. The flow fields resulting in these two options are investigated. It is shown that in both cases, at late times after the head-on reflection of the transmitted shock wave from the conduit end-wall a negative flow (away from the end-wall) is evident. The observed flow behavior may suggest a kind of dust particle lifting mechanism that could shed new light on the complex phenomenon of dust entrainment behind sliding shock waves.      

激波与沉积可燃粉尘相互作用的实验研究

在新建立的激波管中实现了激波对沉积可燃粉尘的卷扬与点火。利用自行设计的瞬态阴影摄影系统和高空间分辨率的新型红外光敏二极管成功拍摄了激波后燃烧粉尘云的阴影图像和测量了激波后可燃粉尘的点火诱导时间。通过对实验结果的较深入的分析，揭示了激波与可燃粉尘床相互作用的基本特征     

激波诱导含灰气体边界层中的粒子分布

本文研究当激波沿着一个固体表面等速地穿越含灰气体运动时所诱导的层流边界层特性。考虑了作用在气体边界层中球形粒子的 Saffman 升力,建议了一种计算近壁区中弥散相密度剖面的方法,并给出了数值计算结果。本文结果表明:在激波后方存在着一个弯曲的薄层区域,其中的粒子密度可以比其波前原始值增加许多倍。这种粒子聚集效应对于工业中粉尘爆炸等实际问题具有重要意义。     

激波驱动的气固两相流的动态压力测量

利用水平圆柱形激波管对激波驱动的可压缩性气固两相流进行了试验研究.利用压电式压力传感器、电荷放大器、示波器及计算机组成的压力信号测试系统, 对激波与颗粒作用前后的气相参数进行测量及分析. 试验中测得了激波在管中的传播速度, 波后气流的压力, 反射激波、透射激波的压力和速度等. 分别考察颗粒、装载比、驱动气源以及入射激波马赫数等因素的差异对气相参数的影响.试验结果表明: 激波与颗粒群相互作用时, 会产生反射激波和透射激波,其强度与驱动气源、颗粒大小、颗粒装载比等参数有关;激波衰减率随着装载比、马赫数的增大而减小. 研究指出,在颗粒群被激波加速的初始阶段, 颗粒间的弹性碰撞起着重要的作用.      

硅烷对JP10和煤油点火特性影响的激波管研究

在JP10和煤油点火特性激波管实验的基础上，实验研究了硅烷对这两种典型高碳数碳氢燃 料点火特性的影响. 在预加热到70 C的激波管上，采用缝合运行条件获得了近7ms 的实验时间，将实验延伸至低温区. 采用气相色谱分析和高精度真空仪直接测定压力相结合 的方法，确定了燃料气相浓度，解决了高碳数碳氢燃料点火激波管实验时由于管壁吸附影响 燃料气相浓度确定的困难. 实验记录了点火过程中OH自由基发射强度变化，并作为判断点 火发生的标志. 实验温度范围880~1800K, 压力范 围0.16~0.53\,MPa. 当硅烷加入量约为燃料的10%~15%(摩尔比)， 质量比为2%~3%, 观测到明显的点火促进作用. 该研究对超燃研究中发动机设计、 燃料选择等方面具有直接的工程意义，也可用于检验燃烧化学动力学模型的合理性.     

A new facility for studying shock-wave passage over dust layers

Dust explosion hazards in areas where coal and other flammable materials are found have caused unnecessary loss of life and halted business operations in some instances. The elimination of secondary dust explosion hazards, i.e., reducing dust dispersion, can be characterized in shock tubes to understand shock–dust interactions. For this reason, a new shock-tube test section was developed and integrated into an existing shock-tube facility. The test section has large windows to allow for the use of the shadowgraph technique to track dust-layer growth behind a passing normal shock wave, and it is designed to handle an initial pressure of 1 atm with an incident shock wave Mach number as high as 2 to mimic real-world conditions. The test section features an easily removable dust pan with inserts to allow for adjustment of the dust-layer thickness. The design also allows for changing the experimental variables such as initial pressure, shock Mach number \((M_{\mathrm{s}})\), dust-layer thickness, and the characteristics of the dust itself. The characterization experiments presented herein demonstrate the advantages of the authors’ test techniques toward providing new physical insights over a wider range of data than what have been available heretofore in the literature. Limestone dust with a layer thickness of 3.2 mm was subjected to \(M_{\mathrm{s}} = 1.23,\, 1.32\), and 1.6 shock waves, and dust-layer rise height was mapped with respect to time after shock passage. Dust particles subjected to a \(M_{\mathrm{s}} = 1.6\) shock wave rose more rapidly and to a greater height with respect to shock wave propagation than particles subjected to \(M_{\mathrm{s}} = 1.23\) and 1.32 shock waves. Although these results are in general agreement with the literature, the new data also highlight physical trends for dust-layer growth that have not been recorded previously, to the best of the authors’ knowledge. For example, the dust-layer height rises linearly until a certain time where the growth rate is dramatically reduced, and in this second regime there is clear evidence of surface vertical structures at the dust–air interface.     

悬浮RDX炸药和铝颗粒混合粉尘爆轰的数值模拟

采用两相流方法对炸药颗粒直径为20.0 m时与铝颗粒混合物的爆轰波的发展与传播过程及爆轰波参数进行了数值计算。结果表明,在炸药粉尘中加入铝颗粒,可以大大提高爆轰波参数。当铝颗粒直径为3.4 m时,尽管铝颗粒的直径较炸药颗粒直径小,但由于炸药颗粒的点火温度低,二者的点火时间相差不多。如果铝颗粒的直径为7.0 m,由于铝颗粒的点火滞后于炸药颗粒的点火,混合颗粒粉尘中可能形成双波阵面的爆轰波。