（安全技術(shù)及工程專業(yè)論文）激波與微粒相互作用研究.pdf

a b s 仃a c t碩士論文 a b s t r a c t i n t e r a c t i o n so fs h o c kw a v e sw i t hm i c r o p a r t i c l e sa t ea l w a y su s e di ni n d u s t r yd u s t e x p l o s i o na n dm i l i t a r yc l o u dd e t o n a t i o nw e a p o n i tp o s s e s s e sv e r yi m p o r t a n tr e s e a r c hv a l u e a n db e c o m e sh o tt o p i c h o w e v e r r e s e a r c hr e s u l t sa t en o tp e r f e c tb e c a u s eo ft h ec o m p l e x p r o c e s si n v o l v e dv a r i o u sk n o w l e d g e s u c h 嬲f l u i dd y n a m i c s a e r o d y n a m i c s e x p l o s i o n m e c h a n i c sa n dh e a te t c s ot h e r es t i l ln e e df u r t h e rr e s e a r c h t h ep r e s e n tp a p e ri sd e v o t e dt oe x p e d m e n t a la n dn u m e r i c a li n v e s t i g a t i o no ft h es h o c k w a v ep r o p a g a t i o ni nam i x t u r eo fg a sa n ds o m eo b j e c t e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n s y s t e m a t i c a l l yi n s p e c t e dh o wt h ev a r i o u sf a c t o r s s u c ha ss h o c kw a v es t r e n g t h l i q u i df i l m t h i c k n e s s a n dp a r t i c l es i z e o b j e c td e n s i t y a f f e c tt h ef l o ww h e ns h o c kw a v ei n t e r a c t sw i t h m i c r o p a t t i c l e t h ee x p e r i m e n t sa t ec o m p l e t e d i ns p e c i a ld e s i g n e ds h o c kt u b e a n dn u m e r i c a l s i m u l a t i o ns t u d i e st h ep a r a m e t e r so ff a e m a i ni n n o v a t i v er e s u l t sa r ea sf o l l o w s 1 t h ed e n s i t yo fl i q u i dc l o u dw o u l db eu n i f o r ma f t e rc o m p l e t e l ye x p a n d e ds h o c kw a v e i n t e r a c t i o nw i t ht h el i q u i df i l m t h ec o m p l e t e l ye x p a n d e ds h o c kw a v ec a nb eo b t a i n e da s l o n ga st h es h o c kw a v em o v e15 m m a f t e rw a v e l e a v i n gt h et u b ee x p o r t w h i l et h ed e n s i t y o f l i q u i dc l o u dw o u l d n o tb eu n i f o r ma f t e rt h es h o c kw a v ei n t e r a c tw i t ht h el i q u i df i l ma tt u b e e x p o r tb e c a u s et h ew a v ei sad i s c o u n t e de x p a n d e dw a v e 2 l i q u i dc o u l ds h a p e sa t ec h a n g e dw i t ht h ei n i t i a ll i q u i df i l mt h i c k n e s sc h a n g e dw h e n t h es a m es h o c kw a v ei n t e r a c tw i t hd i f f e r e n tl i q u i df i l m m o r e o v e r f o l l o w e dt h ei n c r e a s i n go f i n i t i a ll i q u i df i l mt h i c k n e s s c l o u ds h a p e sa r ec h a n g e df r o ms p i n d l es h a p et os p h e r e a sw e l l a st h er e l a t i o no fc l o u dv o l u m ew i t hi n i t i a ll i q u i df i l mt h i c k n e s si sau s h a p e dc u r v e 3 d e g r e eo fu n i f o r m i t yo fl i q u i dc l o u di sp r o p o r t i o n a lt ot h em a c hn u m b e rw h i l et h e s h o c kw a v ei n t e r a c t sw i t l ls a m et h i c k n e s so fl i q u i df i l m t h es h a p eo fc l o u dc a nb ec h a n g e d a st h ek i n do fl i q u i dc h a n g e d m o r e o v e r a f t e rt h em o r ev i s c o u sl i q u i di n t e r a c t i n gw i t hs h o c k w a v e i t sc l o u dw o u l da p p e a rs u n k e np 0 硫 o v e rt i m e s u n k e np o i n tt u r n st op e a l a tt h e s a m et i m e t h el i q u i dw h o s es u r f a c et e n s i o ni ss m a l l e ri se a s yt oc h a n g et ob ed e n d r i t i c a l l yo n t h ec l o u de d g ea f t e rt h es h o c kw a v ep r o p a g a t e si nam i x t u r eo fg a sa n dt h el i q u i d 4 b e h i n ds h o c kw a v e t h ep a r t i c l e ss p e e do fh o r i z o n t a lm o v e m e n ti s s m a l l e rt h a n v e r t i c a lm o v e m e n to b v i o u s l y a n dt h ep a r t i c l et r a j e c t o r yi sap a r a b o l a w h i l ec l o u ds h a p ei s t h ec o n ed u r i n gt h ep r o c e s s m o r e o v e r i n i t i a lv e l o c i t yo fp a r t i c l em o v e m e n ta n di n v e r s et o p a r t i c l es i z ea st h em a c hn u m b e rk e e p s t i l l 5 m a i nd e f o r m a t i o nf o r c e sa n do b j e c td e f o r m a t i o n sa t ed i f f e r e n ta st h ed i f f e r e n td e n s i t y o b j e c t si n t e r a c tw i t hs h o c k w a v e t h ef o r c ef o rl o wd e n s i t yo b j e c td e f o r m a t i o ni st h ei n c i d e n t w a v e a n dt h ea i rc a ni n v a d et h el o wd e n s i t yo b j e c t f o rt h el a r g e rd e n s i t yo b j e c t t h e d e f o r m a t i o n sf o r c ei st h et r a n s m i s s i o n d e n s i t yo b j e c t t h ed e f o r m a t i o n sf o r c ei s a i rc a nn o ti n v a d ei te l s e w a v e a n dt h ea i rc a nn o ti n v a d ei t f o rt h eh i 曲 t h et r a n s m i s s i o nw a v ea n dd i f f r a c t i o nw a v e a n dt h e 6 u s ed i f f e r e n tm e c h a n i s m sm a d et h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fd r o p sc l o u d sd i s p e r s e di n a i rb y1 1 i 曲e x p l o s i v e t h er e s u l ti n d i c a t e dt h a tt h ed r o pf i s tb r e a k u pt i m ei sm i l i t a r y m a g n i t u d e a n dd r o p l e tn e a rt h es h e l la n dt h er e g i o no fd e t o n a t i o np r o d u c t si sl a r g e rt h a n t h o s ei nt h eo t h e rp o s i t i o n k e y w o r d s s h o c k w a v ei n t e r a c t i o n l i q u i df i l m s o l i dp a r t i c l e s d r o p sc l o u d c o m p u t a t i o n a ls i m u l a t i o n i i i 聲明 本學(xué)位論文是我在導(dǎo)師的指導(dǎo)下取得的研究成果 盡我所知 在本學(xué) 位論文中 除了加以標(biāo)注和致謝的部分外 不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或公布 過的研究成果 也不包含我為獲得任何教育機構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的 材料 與我一同工作的同事對本學(xué)位論文做出的貢獻(xiàn)均已在論文中作了明 確的說明 研究生簽名 二緲年月 日 學(xué)位論文使用授權(quán)聲明 南京理工大學(xué)有權(quán)保存本學(xué)位論文的電子和紙質(zhì)文檔 可以借閱或上 網(wǎng)公布本學(xué)位論文的部分或全部內(nèi)容 可以向有關(guān)部門或機構(gòu)送交并授權(quán) 其保存 借閱或上網(wǎng)公布本學(xué)位論文的部分或全部內(nèi)容 對于保密論文 按保密的有關(guān)規(guī)定和程序處理 研究生簽名 2 量函墨 年 月日 頓上略文撒渡與微粒相互作玎 研究 1 緒論 1 1 研究背景和意義 一定強度的激波驅(qū)動微粒 液體或固體顆粒 能形成團(tuán)簇懸浮在氣體介質(zhì)中 該狀 態(tài)的微粒被稱為氣溶膠 它不僅具有原介質(zhì)的物理 化學(xué)特性 且在沖擊波作用下 由 于非線性力學(xué)以及激波的復(fù)雜反射 衍射和渦流等綜合作用的干涉 氣溶膠的運動形態(tài) 及物理 化學(xué)狀態(tài)等部有一定的變化規(guī)律 氣溶膠的這一特性對研究粉塵爆炸預(yù)防 民 用氣象 森林滅火 飛行安全 軍事等用途方面都有重大意義 比如 森林滅火方面 在地面和空中進(jìn)行滅火作業(yè)時 滅火劑的拋灑方式與滅火效率和滅火成本關(guān)系很大 掌 握了滅火劑在拋灑時的運行及霧化特性 便能更有效更經(jīng)濟(jì)的進(jìn)行作業(yè) 粉塵爆炸方面 在爆炸發(fā)生時 爆炸波前溫度 壓力及爆炸波傳播方向和速度的變化趨勢 更重要的是 爆炸波后的粉體流的速度如何增長 飛行器在空中高速飛行 突然遇到空中雨滴 雨滴 和飛行器周圍空氣帽互作用時對飛行安全的影響 軍事方面的高能武器導(dǎo)電氣溶膠 f a e 等都需要氣溶膠云團(tuán)的形成技術(shù)和理論支持 因此 近些年人們對該方面關(guān)注頗深 激波與微粒相互作用形成氣溶膠的過程是一個不穩(wěn)定的兩項流狀態(tài) 在自然生活和 工業(yè)工程中人們也總能發(fā)現(xiàn)此狀態(tài) 沖擊波引起的粉末的飛散 平板上無束縛的顆粒云 經(jīng)過沖擊被時的運動狀態(tài) 利用顆粒層或泡沫保護(hù)爆破時其他建筑物 火山爆發(fā)時燃燒 碎屑物的流動 雪崩等等 激波與微粒作用時 若是液體 一般會經(jīng)歷變形 兩次破碎 霧化的過程 若為蚓體 顆粒層經(jīng)過激波時 整體濃度會變少 且橫向和縱向方向濃度 變化不一樣 同時不同條件固體 拋撤的規(guī)律也不一樣 國內(nèi)外專家在澈波與微粒相互作用方面開展了諸多相關(guān)研究 包括為激波拋撒微粒 的過程尋求合理的物理數(shù)學(xué)公式 激波與微粒作用時各參數(shù)的影響因子 激波與不同 形狀液滴相互作用時模型建立等 如 g a r d n e r t l 從受力穩(wěn)定性的角度探究拋撒霧化機 理 薛社生等 2 利用相似性對尺度效應(yīng)進(jìn)行過程規(guī)律性概括 w i e r z b a t 3 等人通過實驗 研究及數(shù)值模擬計算結(jié)果對比來分析顆粒運行中的主要影響因子 潘建平 4 i 等同樣用 實驗和模擬對來研究激波作用產(chǎn)生的誘導(dǎo)氣流與液體的兩種形態(tài) 液幕和液柱的相互 作用過程 范寶春 5 l 等從被作用的介質(zhì)密度出發(fā) 研究激波與低密度物體相互作用的 特點 液體和固體介質(zhì)在氣流或激波作用下的分散和運動規(guī)律研究是一個典型的多相流 問題 具有極其重要的學(xué)術(shù)和實用價值 如何對作用后形成的云團(tuán)形狀和介質(zhì)濃度控制 是應(yīng)用激波與微粒作用機理的關(guān)鍵點 所以必須首先弄清楚其中規(guī)律并將規(guī)律模型化且 最終回歸到機理問題 近幾十年 國內(nèi)外專家從各個角度對激波與微粒相互作用進(jìn)行了 相關(guān)的實驗 模擬和機理研究睜 但因為氣溶膠中的微粒和沖擊波相互作用時涉及到 i 1 緒論碩士論文 各種復(fù)雜的流體動力學(xué)以及熱交換等 研究還不是很完善 還需要大量深入研究 1 2 國內(nèi)外現(xiàn)狀 激波與微粒相互作用形成的氣溶膠 其界面不穩(wěn)定性的后期發(fā)展是復(fù)雜的非線性現(xiàn) 象 很難單獨的從某方面來研究清楚 需要大量實驗和計算研究 該方面的有關(guān)研究始于l e w i s 的一系列的實驗研究 1 4 b i r k h o f 維l e w i s 的理論分析 基礎(chǔ)上 又提出了非線性界面發(fā)展的五階段劃分概念 1 5 1 6 1 b l o u n t 1 7 1 r e a d 1 引 j a c o b s 和c a t t o n 等人也進(jìn)行了相關(guān)的實驗工作 1 9 至今研究成果比較顯著且被大多數(shù)人認(rèn)同的 當(dāng)屬法德聯(lián)合研究所 i s l i s l 的s a m i r a n tm 等人 2 0 利用多種測試技術(shù)研究了液體燃 料爆炸拋撒及f a e 云霧的形成過程 他們采用閃頻激光技術(shù)確定液滴粒徑 用光纖和激 光多譜勒系統(tǒng)測定液滴運動速度及液滴存在壽命及f a e 云霧爆轟反應(yīng)區(qū)的拋撒密度變 化 對于燃料被爆炸拋撒至無約束空間內(nèi) 用液體燃料著色方法及在其中加碘的方法進(jìn) 行可見光照相和x 射線閃光照相 另外 他們還利用熒光照相和高速照相獲得了外殼破 裂 液體噴出以及液膜破裂圖片 并確定了液滴拋撒粒徑的初始分布和初始尺寸等 這 些數(shù)據(jù) 多年來一直被認(rèn)為是用于液體燃料爆炸拋撒近場階段數(shù)值模擬的經(jīng)典數(shù)據(jù) 當(dāng)然 其他專家也在進(jìn)行相應(yīng)研究 r o s e n b l a n t tm 等人 2 l 為了實現(xiàn)液體環(huán)的軸對 稱徑向擴展運動 建立了一種由豎直無膜激波管和液體環(huán)發(fā)生器組成的實驗設(shè)備 可用 其觀察軸對稱液體環(huán)在軸向運動受約束時的形成 變形和破碎過程 對液滴破碎過程的 了解有助于理解液體在遠(yuǎn)場階段的二次破碎問題 國外研究人員對液滴在氣流作用下的 變形 破碎問題進(jìn)行了較為深入的研究 我國研究人員史紹熙 都大光等 2 2 2 3 通過實驗 發(fā)現(xiàn) 在適當(dāng)?shù)臈l件下 非軸對稱模式會成為氣流運動中最不穩(wěn)定的模式 并肯定了該 模式在射流破碎中的重要作用 非軸對稱模式表明 液體在霧化初始階段會產(chǎn)生擾動波 擾動波由表及里 不斷向周圍與中心發(fā)展 并最終將射流撕裂成大液滴 之后大液滴進(jìn) 一步破碎成小液滴 除了實驗研究 研究人員開發(fā)了不同的程序?qū)馊苣z的過程進(jìn)行數(shù) 值模擬 其中最具有代表性的是d a v i d rg a r d n e r 開發(fā)的對云爆過程近場進(jìn)行數(shù)值模擬 的c t h 程序及m i c h e a lwg l a s s 開發(fā)的對云爆過程遠(yuǎn)場進(jìn)行數(shù)值模擬的k i v a f a e 程 序 在整體爆炸拋撒實驗中 常用的測試方法是利用高速錄像機記錄氣被拋撒介質(zhì)在中 心裝藥爆炸產(chǎn)生的激波驅(qū)動下 在空氣中形成可燃物氣溶膠云團(tuán)過程 2 4 2 5 1 先進(jìn)的光電 技術(shù)的引入更加促進(jìn)了云爆過程的實驗測試技術(shù) 陳軍 2 6 等利用d o b b i n s 2 7 激光散射方 法研究了f a e 爆炸拋撒后流場的不同空間位置的液滴s a u t e r 平均直徑隨時間的變化過 程 劉奇 lt 2 8 等利用激光散射儀和紋影儀觀測到液體拋撒首次破碎并測得二次破碎過程 中液體顆粒尺寸 這些研究能對氣溶膠云團(tuán)形狀 云團(tuán)膨脹速度 云團(tuán)平均密度及固定 位置的平均顆粒尺寸進(jìn)行測試或預(yù)估 蔡慶軍 2 9 刁l j 等采用陰影照相技術(shù)觀測了液體環(huán)首 2 碩士論文激被與微粒相互作用研究 次破碎的過程 采用紋影法研究了液體環(huán)首次破碎后期液體的失穩(wěn)現(xiàn)象 用激光散射方 法研究了液體環(huán)的二次破碎過程 楊磊1 3 2 1 等研究了軸向氣流作用下液體軸對稱拋撒二次 破碎過程 胡揀 j 等利用紋影技術(shù)初步研究了炸藥爆轟后驅(qū)動水外界面的變形過程 但 對炸藥與水的內(nèi)表面未進(jìn)行研究 同時北京應(yīng)用物理與計算數(shù)學(xué)研究所對云爆過程的數(shù) 值模擬進(jìn)行了大量的研究工作 擁有具有自主產(chǎn)權(quán)的大型計算程序 劉家驄 丁玨 解 立峰和席志德等1 3 蚰吼 在云爆過程的數(shù)值模擬方面也進(jìn)行了一些研究 軍事應(yīng)用中 云爆武器是氣溶膠的一個典型應(yīng)用 其作用原理是在戰(zhàn)斗音i 里裝填燃 料 作用時先將燃料拋撒在空氣中 一般通過爆炸拋撒 使燃料與空氣形成空氣氣溶 膠 適當(dāng)條件下 再將氣溶膠引爆 從而產(chǎn)生高溫高壓及沖擊波對標(biāo)的區(qū)或物造成一定 程度破壞 其性能優(yōu)越性也越來越受到各國的重視 從七十年代開始我國已開始對云爆 武器研究 同時 該方面的數(shù)值模擬計算也進(jìn)行了相應(yīng)研究 丁玨 3 6 等對形成過程進(jìn)行 了分階段模擬 用運動邊界處理方法建立了 維氣相流動模型和液相運動模型研究近場 階段 用多相流模型描述云霧膨脹運動過程對遠(yuǎn)場階段研究 并將兩階段耦合 對拋撒 全過程編制程序 數(shù)值計算的云霧外形變化曲線與實驗結(jié)果具有較好的一致性 在此基 礎(chǔ)上 席志德等建立了更形象的二維軸對稱氣相流動數(shù)學(xué)模型用于近場階段的流暢研 究 并在具有軸向速度的液體燃料爆炸拋撒過程進(jìn)行了應(yīng)用 蔡斌等則從數(shù)值計算結(jié)果 將液滴的破碎類型進(jìn)行分類 但其模型計算過程中忽略了液滴高速運動中相變問題 園 氣溶膠彤成過程的復(fù)雜性 各項研究均未完全弄清氣云形成過程的激波與微粒作用機 理 比如 液體粘性對爆炸拋撒形成氣溶膠過程中 介質(zhì)變形 分裂 破碎以及湍流混 合過程影響研究在國內(nèi)外仍舊是空白 1 3 本文工作 本課題是國家自然基金項目 氣溶膠云團(tuán)形成過程的理論與實驗研究 的主要研究 內(nèi)容之一 項目組前期研究已經(jīng)得出一定條件下的固體顆粒群和一定大小的水漓在弱馬 赫數(shù) 1 0 5 一1 2 6 的沖擊波下的形態(tài)變化和一些物理參數(shù)的變化規(guī)律 同時 將數(shù)值模 擬和相應(yīng)的寅驗結(jié)果進(jìn)行比對 進(jìn)而更準(zhǔn)確解釋實驗現(xiàn)象 本文研究在原有基礎(chǔ)上 通過實驗 數(shù)值模擬等方法 研究激波驅(qū)動液膜 固體微 粒及不同密度物體的運動規(guī)律 并對氣溶膠的典型應(yīng)用f a e 裝置拋撒過程進(jìn)行相關(guān)數(shù) 值模擬 探討不同形狀液體和不同物理參數(shù)的液體在激波驅(qū)動作用下形成氣溶膠的拋撒 過程規(guī)律 揭示氣溶膠云團(tuán)形成的物理現(xiàn)象 提供氣液 氣固相間相互作用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù) 主要工作如下 1 激波與液膜相互作用的實驗研究 2 激波與固體顆粒相互作用的實驗研究 3 激波與不同密度物體相互作用的實驗研究 j 1 緒論碩士論文 4 4 f a e 裝置拋撒數(shù)值模擬研究 碩士論文 激波與微粒相互作用研究 2 激波與液膜相互作用的實驗研究 2 1 引言 因為液體原子化的應(yīng)用 如不穩(wěn)定燃燒火焰噴射 高速飛行器和雨滴相遇 可燃液 體與空氣反應(yīng)發(fā)生爆炸等情況 都涉及到液體破碎問題 自從l a n e 在1 9 5 1 年對運動氣流中懸浮液滴的力學(xué)行為進(jìn)行實驗觀測以來 大量研究 成果表吲盯j 在不同的w e b e r 數(shù)和o h n e s o r g e 數(shù)時 物體表現(xiàn)出各種不同變形和破碎模式 這個結(jié)論是毋庸置疑的 其中 w e b e r 數(shù)為慣性力和表面張力之比 o h 數(shù)是粘性力和表 面張力之比 按動力學(xué)分類 液體可分別建立變形期和剝離破碎期的動力學(xué)模型高速氣 流下 液膜迅速分裂成液滴 我們知道 當(dāng)w e b e r 1 2 球形液滴變形為狹長環(huán)狀 并 最終分裂兩個小球形液滴 此狀態(tài)被稱為振蕩變形 當(dāng)1 2 w e b e r 弋 5 0 球狀液滴先變 形為橢球體 并在橢球體的最大截面積圓上率先破碎 因為狀態(tài)形似袋口 被稱為袋式 破碎 當(dāng)5 0 w e b e r 弋 10 0 球形液滴變形為橢球體后 除了最大截面積圓上發(fā)生破碎 同時在橢球體中心也有破碎 其狀態(tài)形似花中雄蕊 被稱為袋蕊破碎 當(dāng)1 0 0 w e b e r 3 5 0 球狀液滴被激波壓成很薄的片狀物 片狀物表面逐步破碎霧化 被稱為片狀剝 離 當(dāng)3 5 0 2 1 5 3 2 1 5 1 說明水膜厚度對云團(tuán)水平方向成長位移的影響比馬赫數(shù)大 圖2 1 1 為四種條件下水膜與激波作用時 云團(tuán)豎直方向成長的位移隨時間變化趨 勢 圖中顯示 1 在5 0 0 0 9 s 內(nèi) 四條曲線斜率基本保持不變說明云團(tuán)豎直方向位移的 成長速度基本保持不變 2 1 0 1 5 3 曲線和0 2 1 5 3 曲線斜率分別比1 0 1 5 1 和0 2 1 5 1 大 說 明豎直方向位移成長速度與馬赫數(shù)成正比 3 同馬赫數(shù)下 豎直方向位移成長速度的 與水膜厚度成反比 圖2 1 2 為四種條件下水膜與激波作用時 霧化云團(tuán)水平和豎直方向位移成長比較 圖中顯示 1 水平方向位移增長到1 5 0 m m 前 曲線斜率 0 5 即豎直方向增長速度沒 水平方向快 2 水平方向位移增長到1 5 0 m m 前 曲線基本保持線性走勢 即不論水平 方向或者豎直方向 云團(tuán)成長速度基本不變 3 水平位移1 5 0 m m 處 2 1 5 1 曲線和2 1 5 3 曲線斜率突然增大 即此時豎直方向成長速度比水平快 激波與水膜作用時 從瞬間受力分析 水一方面受到激波給的超強沖量 另一方面 有霧化水與空氣相對運動形成的氣動阻力 流場受力異常復(fù)雜 但從一個較長時間段來 分析 瞬間加速度作用于水膜整體后 復(fù)雜受力瞬間結(jié)束 拋撒液體的運動應(yīng)遵循類似 平拋運動 這與圖2 1 0 2 1 1 2 1 2 中曲線特點相對應(yīng) 1 2 3 5 0 3 0 0 2 5 0 2 0 0 1 5 0 1 0 0 5 0 0 o 時間 i is 圖2 1 0 四種條件下水膜霧化云團(tuán)橫向位移隨時間變化曲線 獸鹽冱窟餐 碩士論文激波與微粒相互作用研究 6 0 0 5 0 0 4 0 0 3 0 0 2 0 0 1 0 0 o 01 0 0 02 0 0 0 3 0 0 0 4 0 0 0 5 0 0 0 時間 1 ls 圖2 1 l四種條件下水膜霧化云團(tuán)縱向位移隨時間變化趨勢 0 5 0 1 0 0 1 5 02 0 02 5 03 0 03 5 0 橫向位移 姍 圖2 1 2 四種條件下水膜霧化橫向位移與縱向位移比較 2 不同情況水膜形成的最大云團(tuán)參數(shù)規(guī)律 按照資料 3 9 所述 當(dāng)液體完全與原來狀態(tài)脫離時 此時的破碎可看做完全破碎 所 以本文將此刻的霧化云團(tuán)定義為最大云團(tuán) 依照上文所用方法獲得各實驗條件下形成的 云團(tuán)直徑 高度 同時將云團(tuán)近似成橢球體 計算得出云團(tuán)體積 圖2 1 3 一圖2 1 5 分 別是不同強度激波作用于不同厚度水膜時拋撒形成的最大云團(tuán)直徑 高度 體積 分析 圖中曲線走勢 可以得出以下規(guī)律 1 某馬赫數(shù)下 隨著水膜厚度變化 云團(tuán)直徑 高度 體積走勢一致 且在6 m m 厚時各值都出現(xiàn)拐點 2 某一馬赫數(shù)下 云團(tuán)直徑 高度 體積變化隨著初始液膜膜厚度增加呈現(xiàn)先減小后增大的u 型拋物線變化趨勢 即 2 m m 和l o m m 相似 4 m m 和8 m m 相似 0 0 o o o 0 o 印 如 加 加 喜逾鞫姜 u弓娥羈要 2 激波與液膜相互作用的實驗研究碩士論文 e m l i 5 4 3 5 0 一 4 1 m 2 1 7 3 3 0 0 量2 5 0 難2 0 0 刪1 5 0 匣1 0 0 1 h 5 0 o 旨 瑙 鍵 圓 1 0 0 0 0 0 0 o o o o 0 o 2 管o 1 5 鬟 圍 0 0 5 0 024681 01 2 水膜厚度 姍 圖2 1 3 不同強度激波作用于不同厚度水膜時拋撒的最大云團(tuán)直徑 e m l l 5 4 04681 0 1 2 水膜厚度 姍 圖2 1 4 不同強度激波作用于不同厚度水膜時拋撒的最大云團(tuán)高度 024681 01 2 水膜厚度 哪 圖2 1 5 不同強度激波作用于不同厚度水膜時拋撒的最大云團(tuán)體積m 3 3 同馬赫數(shù)下 不同厚度水膜拋撒狀態(tài)規(guī)律 因為重力作用及液體與空氣間的摩擦作用等 在一定馬赫數(shù)下 不同厚度水膜 其拋撒狀態(tài)不一樣 實驗中總共有三種馬赫數(shù) 即三組圖片 比較每組圖片云團(tuán)成 長規(guī)律 相互之間規(guī)律一致 選出馬赫數(shù)為1 7 3 時的一組圖片 見圖2 1 6 作為同馬 赫數(shù)下 不同厚度水膜的拋撒狀態(tài)說明 觀察圖片發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律 1 6 m m 水膜拋 撒霧化形狀與其他不同 2 隨著厚度增加 云團(tuán)形狀由紡錘體狀向球狀靠近 拋撒 密度也更均勻 實驗條件 2 r a m 水膜 加高1 5 m m m 2 1 7 3 1 4 碩t 論文 激被與微粒相i 作用研究 實驗條件 矗叁壘羹壘壘 4 m m 水膜 加高1 5 m m m 2 l7 3 一由 量壘壘 實驗條件 6 m m 水膜 加高1 5 m m m 2 17 3 一一 壘 實驗條件 8 m m 水膜 加高1 5 r a m m 2 1 7 3 實驗條件 l o m m 水膜 加高1 5 r a m m 2 i7 3 一一一 圖21 6 馬赫數(shù)為i7 3 5 種厚度水膜的拋撒狀況比較 4 同水膜厚度 不同馬赫數(shù)下水膜拋撤狀態(tài)規(guī)律 2 觸被5 漣膜月 作用的實驗研究 碩 論文 同水膜厚度不同馬赫數(shù)的拋撒圖片共有5 組 每組問的變化規(guī)律一致 圖2 為 其中一組 從圖中可以看出 1 霧化云團(tuán)高度與馬赫數(shù)大小成正比 2 馬赫數(shù)越大 霧化云團(tuán)密度越穩(wěn)定 圖片中的黑暗程度越一致 實驗條件 8 m m 水膜 加高1 5 r a n l m l i5 4 一一 盎 叁童叁壘 富一 實驗條件 8 m m 水膜 加高i5 m m m 3 d 魯叁 圖21 7 三種強度激渡作用于8 m m 水膜時的拋撒情況 2 3 3 撤波拋撒不同液膜作用過程 1 水膜與丙三醇的高速錄像拋撒狀態(tài)規(guī)律 圖21 8 為馬赫數(shù)為18 的激波分別和l o m m 厚的水膜 丙三酵膜作用過程 我們知 道 丙三醇的表面張力小于水 但其粘性比水大 這些物性參數(shù)與液體拋撒狀態(tài)緊密聯(lián) 系 觀察圖片發(fā)現(xiàn) 在作用初期 丙三醇霧化云團(tuán)中點有凹陷 隨后凹陷處變成峰狀然 后整體變成規(guī)則扇形 而水膜霧化云團(tuán)始終保持球狀成長 液體經(jīng)過變形 破碎小液滴 小液滴再進(jìn)一步變形破碎最終形成云團(tuán) 液體變形是 液體內(nèi)各微元體之間不斷發(fā)生相對位移的過程 當(dāng)液滴內(nèi)徽元體的位移超過一定范圍 時 液滴就要破碎 在此過程中 氣動壓力使液滴變形 而表面張力和內(nèi)部粘性阻力阻 礙液滴變形 圖21 8 中丙三醇的霧化云團(tuán)形狀變化正是其內(nèi)部粘性阻力阻礙變形 導(dǎo) 1 6 碗 論女 澈墟與錘粒 互作川研究 致凹陷出現(xiàn) 所以從圖21 8 中能得出以f 規(guī)律 o 4 i n 物性參數(shù)的液體與激波作用時 形成的云團(tuán)形狀不同 2 表面張力小的液體形成的云團(tuán)邊緣易形成樹枝狀液條 實驗條件 i o m m 丙三醇 加高1 5 m m m 3 1 8 日凸魯 實驗條件 1 0 m m 水版 加高 5 m m m 3 叁叁 叁 叁 一一 j 圖218 激波作用于不同液膜時的拋撒情況 f 1 2 水膜與丙三醇拋撤最大云團(tuán)參數(shù)比較 與上文一致 此處最大云團(tuán)定義為 霧化云團(tuán)脫離了液體最初始位置時為最大云團(tuán) 圖21 9 和圈22 0 分別是兩種馬赫數(shù)下 水膜和丙三酵的最大云團(tuán)參數(shù) 因為實驗測試 條件有限 數(shù)據(jù)不是很多 兩圖的曲線走勢并不完全一致但兩者之間存在必然規(guī)律 觀 察兩圖發(fā)現(xiàn) 1 隨著馬赫數(shù)的增加 水和丙三醇的云團(tuán)直徑問的差距變小 2 丙三醇 云團(tuán)直徑曲線比水的直徑曲線變化平緩 說明水膜厚度對丙三醇水平方向的霧化速度影 響不如水膜明顯 a 最大云團(tuán)直徑 液麒厚度 叫 b 云團(tuán)體積膨脹速度 圖21 91 5 4 馬赫數(shù)下水和丙三醇拋撒云團(tuán)參數(shù)對比 2 激波與液膜相互作用的實驗研究碩士論文 0 24681 01 2 液膜厚度 衄 a 最大云團(tuán)直徑b 云團(tuán)體積膨脹速度 圖2 2 01 8 馬赫數(shù)下水和丙三醇拋撒云團(tuán)參數(shù)對比 2 4 本章小結(jié) 在課題組之前研究基礎(chǔ)上 本章建立了一套系統(tǒng)化的激波管測試裝置 通過比較驗 證選用2 0 0 目不銹鋼網(wǎng)作為承液物 并將其粘接在專門加工的2 4 6 8 l o m m 的法 蘭板上 從而形成不同厚度液膜 在壓力 高速錄像 高速陰影照相等測試系統(tǒng)的聯(lián)合 作用下 分別進(jìn)行了馬赫數(shù)為1 5 4 1 7 3 1 8 的激波與水膜和丙三醇膜的拋撒霧化實 驗 并初步得到以下結(jié)論 1 實驗裝置中承裝液體的不銹鋼網(wǎng)對激波馬赫數(shù)幾乎無影響 2 因為激波完全膨脹時與液膜的作用面積比激波欠膨脹時大 液膜距離激波管i 1 1 5 m m 比o m m 時 液體拋撒形成的云團(tuán)形狀更規(guī)則 密度更均勻 3 作用初期 1 5 0 0 1 咀s 水膜霧化云團(tuán)水平位移增長速度快 隨后不再增長 但豎 直方向在5 0 0 0 1 t s 內(nèi) 增長速度均衡 4 液膜霧化云團(tuán)的水平位移與水膜厚度 激波馬赫數(shù)成正比 且初始液膜厚度對 水平位移影響更大 而豎直位移與馬赫數(shù)成正比 與厚度成反比 5 一定馬赫數(shù)下 液膜形成的最大云團(tuán)體積隨著初始液膜厚度增加呈現(xiàn)先減小后 增大的u 型拋物線變化趨勢 且隨著液膜厚度增加 云團(tuán)形狀由紡錘體向球體轉(zhuǎn)變 6 一定液膜厚度下 拋撒云團(tuán)均勻程度與馬赫數(shù)成正比 7 不同液體形成云團(tuán)形狀不同 在某個階段 1 5 0 0 弘左右 粘性較大液體云團(tuán)有凹 陷點 隨著時間推移 凹陷點處出現(xiàn)峰狀 且表面張力小的液體云團(tuán)邊緣更易生成樹枝 狀液條 1 8 o 9 8 7 丘5 4 3 2 l o 一 3 l 艘醬齡聰簟匠咐 碩士論文 激波與微粒相互作用研究 3 激波與固體微粒相互實驗研究 3 1 引言 大多數(shù)從事粉體生產(chǎn)和加工工藝的產(chǎn)商都應(yīng)該關(guān)注粉塵爆炸的危險 導(dǎo)致粉塵爆炸 的一個重要原因就是沖擊波在可燃粉塵與空氣間的傳播 粉塵爆炸式激波與固體顆粒相互作用的典型例子 爆炸波后的環(huán)境溫度和壓力變化 是一個復(fù)雜的平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)變過程 特別是波陣面后的氣流運動速度的確定 尤其需要大 量實驗及數(shù)值模擬研究 該方面 s o o 等人和i v a n d a e v 等人分別于1 9 7 1 年和1 9 8 1 年對 其進(jìn)行了研究 針對激波與固體顆粒的相互作用研究工作時 沖擊波波后的氣流速度一般為亞音 速 超音速情況下的大馬赫數(shù)及大范圍的速度變化時速度的不穩(wěn)定方面涉及很少 其間 1 9 7 2 年時巴里和海特 1 9 7 6 年時巴里和斯特爾 分別通過實驗得到了大量單一顆粒與 激波作用時的氣動阻力系數(shù)數(shù)據(jù) 另外 卡森和霍格蘭德分別在1 9 7 2 年1 9 7 6 年 海德 森在1 9 6 4 年 魯?shù)铝衷? 9 7 6 年 賽爾伯格在1 9 7 0 年 尼古拉斯在1 9 6 8 年都分別獲得 單個顆粒的氣動阻力系數(shù) 與馬赫數(shù) 雷諾數(shù)相關(guān) 的實驗數(shù)值 然而 高濃度下的顆粒 群與激波作用時的氣動阻力擦系數(shù)值與單一顆粒與激波作用時的氣動阻力系數(shù)值相差 很大 1 9 6 4 年哥比斯發(fā)現(xiàn) 濃度為5 的顆粒在低速兩相流中作用與濃度為1 的顆粒 在超音速噴射區(qū)作用時 顆粒群和單一顆粒表現(xiàn)的氣動阻力系數(shù)差別相當(dāng)明顯 對于激波波陣面后的兩相流問題特別是該過程中的特征 人們了解不多 需要更加 深入的研究 在2 0 0 0 年加拿大學(xué)者e z h a n g 通過液體炸藥產(chǎn)生沖擊波將球形的玻璃裝 置里顆粒群拋撒的實驗研究及相關(guān)的數(shù)值模擬分析 研究發(fā)現(xiàn) 顆粒群穿過激波前鋒只 要取決于裝置形狀 裝置大小和顆粒群的密度 而且當(dāng)裝置大小一定時 顆粒群穿過波 前鋒的粒徑存在臨界值 本章進(jìn)行了顆粒群的相關(guān)實驗研究 其中 驅(qū)動激波波分別由壓縮空氣和爆炸物產(chǎn) 生 3 2 壓縮空氣激波拋撒固體顆粒實驗 實驗在裝置2 2 中進(jìn)行 馬赫數(shù)1 4 管口沖擊波對4 0 6 0 目石英固體顆粒拋撒如圖 3 1 所示 固體顆粒置于不銹鋼網(wǎng)上 堆積形狀為直徑1 6 m m 高2 m m 的圓柱 1 9 3 撒波與周件微粒相互實驗研究 硎 論女 口 口 口腳 圖3 l 馬赫數(shù)14 管口沖擊波 離管口1 5 r a m 對4 0 6 0 日石英固體顆粒拋撒 觀察圖31 發(fā)現(xiàn) 1 激波透過砂堆以規(guī)則的球形狀繼續(xù)往上走 并在金屬板的左右 兩端有規(guī)則繞射 2 激波的高能量給之前靜止的砂堆一個突然加速度 砂粒迅速向周 圍拋撒 3 悃為砂粒的反射作用 激波過后 在金屬板和激波管口之間的氣流混亂度 明顯增大 4 砂與激波作用初始時期 0us 因為自由度大 表層砂粒首先被拋出并均 勻稀釋 同時 被稀釋的砂粒在流場中高速運動 加速了其他砂粒的拋撒 并成為后期 1 2 0u 訂沙礫拋撤的主要動力 該現(xiàn)象與f z h a n 9 1 4 0 等在2 0 0 0 年的沙礫爆炸拋撤實驗 中一致 3 3 爆炸產(chǎn)生激波拋撒固體顆粒實驗 爆炸產(chǎn)生微波拋撒顆粒的實驗系統(tǒng)由拋撒推進(jìn)器 點火器 測壓系統(tǒng)及錄像機等組 成 拋擻推進(jìn)器見圖3 2 選取不同的膜片和裝藥量 即得到不同強度的激波 論文微波與微 目h 作月講究 巨 t oi 3 m sl 6 m s t 9 m st 1 2 m s 戶1 5 m s 蚓3 3 同體顆粒拋撒圈 堆密度i i4 9 e m 3 b 圈3 4 實驗條仲 m l9 6 t 顆粒粒徑1 3 08 1i m m 顆粒質(zhì)量m 1 5 9 拋撒扣迷應(yīng)v 2 69 2 m s 3 撖波與同件微粒相 實驗研究 論文 t 0t 3 m s i 6 m st 一9 m st 1 2 m st 1 5 m s 圖3 4 固體顆粒拋撒圖 堆密度p 15g k m 3 c 罔3 5 蜜驗條件 m i9 6 顆粒粒徑d 0 4 2 m m 顆粒質(zhì)量m i5 9 拋撒初速度v 3 1 7 6 m s i 0t 3 bt 6 m sr 9 m sf 1 2 m s t 1 5 m s 圖3 5 吲體顆粒拋撒圈 堆密度p l6 5g k 一 d n3 6 實驗條件 m 1 a 7 顆粒粒徑d 2 3 m m 顆粒質(zhì)量m 5 9 拋撒初速度v 2 15 2 m l s t lm st 0 m st 3 m st 4 m s1 5 m st 6 m st 7 m st 8 m s 圖3 6 固體顆粒拋撒圖 堆密度p i4 c m e 圖37 實驗條件 m i4 7 顆粒粒釋d 08 1i m m 顆粒t 噩量m s g 拋撒初速度v 2 42 4 m s 碩 論女 撤被與微粒相 作用研究 i l l o仁lm s1 2 m st 3 m st 4 m s t 5 m st 6 m s 圖37 吲體顆粒拋撒圖 堆密度p l5 c m 3 f 圍3 8 實驗條忭 m l4 7 t 顆粒粒徑d 04 2 r a m 顆粒質(zhì)顰m 5 9 拋撒初速度v 2 7 4 m s t ot im s t l l 2 m st 3m st 4r n st 5 m si 6 m st 7 m st 8 m s 圖3 8 同體顆粒拋撒圖 堆密度p l6 5g k m 3 g 目3 9 實驗條件 m 15 5 t 顆粒粒徑d 2 3 m m 顆粒質(zhì)量m l g 拋撒初速度v 3 0i m s t ot m s t 2 m s 3 微波 蝌體微粒相 央 研究ml 論文 t 5 m s1 6 m st 7 m st 8 m st 9 m s 圖3 9 固體顆粒拋撒圉 堆密度p i1 4g c m 3 h 目31 0 實驗條件 m i4 4 顆粒粒徑d 0 肛l r n m 顆粒質(zhì)暈m l g 拋撒初速度v 3 58 m s t 5 m sr 6 m s1 7 m st 8 i r i st 9 m s 嘲31 0 而體顆粒拋撒網(wǎng) 堆密度p i6 5g c m 3 3 3 2 分析與討論 1 n 體顆粒群運動軌跡分析 根據(jù)速度大小 激波u r 分為彌散激波 叩流場中氣體相對激波的速度大于氣體聲速 和完全彌散激波 即流場中氣體相對激波的速度小于氣體聲速 實驗巾所用激波馬赫數(shù) 2 4 碰 論i 微波與微粒相互作用研究 m i9 6 屬于彌散激波 實驗中各種粒徑大小的顆粒群拋撒運動軌跡如圖31 1 圖3 1 i 固體顆粒運動軌垃 圖中各曲線均為拋物線加速段 曲線斜率逐漸增大 即顆粒群運動速度隨著時間的 推移逐漸加快 由牛頓學(xué)分析 在加速段后必然有減速并最終停止運動狀態(tài) 但由于視 場有限 無法獲得顆粒群運動后期狀態(tài) 速度減慢段 激波與顆粒群作用后 顆粒瞬間獲得運動初速度 開始加速運動 而激波后氣體因 為摩擦阻力作用速度下降 溫度上升 此時激波后氣體 顆粒兩相溫度 速度非平衡狀 態(tài)便立即形成 在顆粒相和氣相達(dá)到下一個新平衡狀態(tài)之前 流場會出現(xiàn)一段時間非平 衡區(qū) 該時間內(nèi)氣相熱力學(xué)參數(shù) 壓強 密度和溫度以及運動學(xué)參數(shù)速度發(fā)生間斷 滿 足r a n k i n e h u g o n i o t 激波關(guān)系式 但隨著時間推進(jìn) 兩相之問通過熱傳遞和阻尼作用 不斷地交換動量和能量 并雖終達(dá)到下一個平衡狀態(tài) 同時 大粒徑顆粒的軌跡曲線的 斜率比小粒徑大 說明在同激波強度下 大粒徑的運動的速度比小粒徑的大 2 激波與固體顆粒群作用的波系結(jié)構(gòu) 激波與顆粒群相遇時 顆粒群在瞬間獲得足夠的沖量向四周拋撒 同時顆粒群對激 波產(chǎn)生反作用 產(chǎn)生了反射激波和稀疏波等 壓力波形圖如圖3 1 2 圖31 3 所示 入射波反射波稀疏波 tm 5 圖31 2 激波與粒徑為2 3 r a m 的顆粒作用波形圖 3 激濁與吲體微粒相且實驗q 院頓 論文 圖31 3 微波與粒徑為04 2 r a m 的顆粒作羽波形圈 圖中壓力值偏大曲線為破膜前壓力曲線 偏小的則是破膜后壓力曲線 從圖31 2 圖31 3 中可以看出 同強度微波 m 19 6 下 2 3 m m 粒徑的顆粒被作 用時 入射微波壓力為1 9 5 m p a 反射激波堆力為2 倍的入射激波壓力f 38 m p a 且反 射激波速度m 2 1 1 而04 2 r a m 粒徑的顆粒被作用時 入射激波壓力為22 6 m p a 反射 激波壓力為1 7 倍的入射激波壓力 3 9 m p a 其反射激波速度m 22 3 由此可見 同強度激波 m i9 6 作用下 堆密度p i6 5 9 c m 3 即顆粒粒徑 d 04 2 m m 的顆粒比堆密度p 14 9 c m 3 即顆粒粒徑d 2 3 m m 的顆粒的入射激波壓 力 a p l 03 1 m p a 反射激波壓力 a p 2 01 m p a 和反射激波速度 a m 01 2 的值大 分析上述現(xiàn)象 得出其原因 小粒徑顆粒 與激波作用后 流場中單位空間內(nèi)分布 的顆粒數(shù)會比大粒徑顆粒多 即激波穿過顆粒層遇到的阻力會越大 如圖31 4 所示 所以其反射激波強度和反射激波壓力也越大 t 3 4 本章小結(jié) 圖31 4 激波與顆粒群作h j 示意巨 x t x 激波與固體顆粒群的相互作用過程足一個典型的非線性力學(xué)過程 其中會出現(xiàn)激波 的復(fù)雜反射 衍射 聚焦等現(xiàn)象 并存在波后氣體 顆粒兩相溫度 速度非平衡狀態(tài) 本章通過比較同強度激波與不同粒徑顆粒群作用的圖片及壓力曲線可以得到以下結(jié)論 1 涸體顆粒與激波作用初期 表層顆粒最先被拋山并均勻稀釋 同時 被稀釋的 顆粒在流場中高速運動 加速了其他砂粒的拋撒 并成為顆粒后期運動主要動力 ri擴獬惜 群 晰 左 碩士論文 激波與微粒相互作用研究 2 激波與顆粒相遇時 顆粒群立即獲得一個巨大加速度 向四周拋撒 顆粒的運動 軌跡為規(guī)則拋物線 且粒徑大的顆粒運動速度更快 整個砂群的拋撒形狀為圓錐狀 3 在同強度激波作用下 顆粒粒徑與拋撒