惯性颗粒在非均匀加速流中的输运问题

基于新型碳基颗粒增强或碳基纤维材料的再入体热烧蚀问题对飞行器的气动力/热性能影响机制尚不明确。初步研究不考虑化学反应和气体引射效应,把热烧蚀问题中的颗粒剥离问题模化为驻点流中的离散颗粒启动问题。由于高速气流在驻点温度达上万度量级,局部马赫数接近于0,研究近似假设靠近壁面的流体动力学为不可压缩的,并使用不可压缩颗粒解析的直接数值模拟方法（PR-DNS）研究一个惯性颗粒在平面挤压流和壁面驻点流中的动力学,从而揭示在驻点流中的颗粒输运机制。研究发现颗粒在壁面驻点流中的输运机制是水平输运,几乎没有垂直输运,与平行剪切颗粒床输运非常不同,这是驻点流特有的垂直向下挤压作用导致的。     

惯性颗粒和壁湍流的相互作用:湍流调制及颗粒分布

直接数值模拟壁面湍流与惯性点粒子方法被用来研究粒子对湍流的调制机理以及粒子在湍流场中的分布.由于在壁面湍流中,内层(约为y+<100,y+为黏性尺度下的壁面垂直方向坐标)与外层(约为y+>100)中存在着两种特征结构,即内层中的大尺度结构(large-scale structures,LSMs)与外层中的超大尺度结构(very-large-scale structures,VLSMs),这两种特征结构控制着壁面湍流的动力学过程.因此研究方向主要是探究粒子与LSMs以及VLSMs之间的相互作用:即通过研究粒子惯性效应对LSMs主导的湍流内层自维持过程来解释不同惯性的粒子导致湍流增强或减弱的原因;通过研究粒子惯性效应对VLSMs主导的湍流外层的调制,提出粒子的惯性效应导致VLSMs增强的直接与间接机理.同时,通过人为控制LSMs和VLSMs与粒子分别耦合来研究这两种特征结构的存在导致的粒子聚集与群聚行为.最后,推导了惯性粒子沉积速度的控制方程,用于分析控制粒子沉积速度的关键因素.     

长尾喷管故障诊断中的两相流动计算

为了给长尾喷管故障诊断提供理论依据并提供改进措施,利用颗粒轨道模型和有限体积的Jameson格式计算了长尾喷管两相流流场,得到了流场中温度和马赫数的分布和不同燃烧室总压下不同尺寸的粒子对喷管壁面的撞击情况,结果表明大尺寸粒子对直管段壁面的撞击位置存在一个集中点,这是造成喷管烧穿的重要原因。得出了总压越高粒子撞击壁面的次数越多、尺寸越大粒子撞击壁面的次数越多的结论,给出了提高长尾喷管热防护结构可靠性的一些措施。      

固体火箭发动机中声场对凝聚相粒子的影响

固体火箭发动机中凝相粒子的空间非均匀分布不但会改变粒子的阻尼效果,还可能对金属粒子的分布式燃烧产生影响,从而显著改变发动机内的增益和阻尼。粒子的空间分布受发动机内部固有的声场压强振荡的影响,进而影响粒子对声振荡的阻尼效果。本文将连续相-离散元（CFD-DEM）耦合模型应用于固体火箭发动机中多物理场作用下的粒子行为研究,实现了声场对粒子行为的影响研究,获得了发动机两相流流动与声场的耦合作用规律。结果表明：CFD-DEM模型可以获得其他模型无法得到的颗粒微观信息包括颗粒与颗粒间的碰撞、颗粒与壁面的碰撞以及颗粒与气相间的相互作用等。另一方面径向声场力会使得凝聚相粒子往发动机燃烧室的中心区域汇聚,并且形成稳定宽度的粒子质量分数高达90%以上的聚焦带,而在壁面区域基本为粒子真空区域,粒子的空间不均匀分布极其显著。轴向声场力（发动机一阶基频声波）作用下颗粒分布在声场波节节点后可以观察到较高浓度粒子区减少,颗粒分布不似无声场作用那样密集,且颗粒相沿轴向的速度分布呈现先增大后减小的变化规律,在节点附近达到峰值。     

基于CFD-DEM算法的固体火箭发动机气-固两相流模拟

针对固体火箭发动机中含金属推进体系中颗粒冲刷烧蚀及推力两相流损失的难题,基于连续相-离散元(CFD-DEM)耦合模型,考虑颗粒间的碰撞力与非碰撞力以及颗粒-气流作用力等,对固体发动机中气-固两相流进行了数值模拟研究。研究结果表明,相比于传统的双流体模型及轨道法,CFD-DEM能提供更丰富的粒子尺度信息包括粒子的运动轨迹、颗粒间的碰撞、颗粒受力情况等等;以及粒子相与气相相互作用过程,粒子相与壁面相互作用等。粒子的碰撞在喷管收敛段壁面、喉部区域以及喷管扩张段中心区域发生,与壁面的碰撞在收敛段壁面位置,且颗粒在该区域角速度较大,气相-颗粒曳力最大值出现在气相加速区域。单个粒子尺度的流场数据为固体发动机气固两相流流场的认识提供了更加丰富的信息,并为粒子聚集聚合及对烧蚀层冲刷等提供研究基础。     

惯性粒子分离器清除流道PIV测量与分析

采用粒子成像测速技术（PIV）对惯性粒子分离器弯曲通道模型进行内部流动测试,分析其清除流道流场的结构特点。试验发现,在清除流道进口的不同高度截面上均有回流涡的存在,在不同清除流比（SCR,14%~20%）、不同流量下回流涡结构不同。回流涡的存在是导致小粒径颗粒分离效率低的原因之一。试验结果表明：固体壁面对该回流涡存在很大影响,即越靠近壁面回流涡尺度越大;当SCR值越大时,回流涡占清除流道面积越小;而当进口流量增大时,回流涡尺度变化很小。内部流场以及回流涡尺度的主要影响因素为SCR。本文结果可以为数值模拟以及分离器结构改进提供依据。     

高速流动中PIV示踪粒子松弛特性研究

示踪粒子的随流能力是PIV技术在高速流动中应用的关键点之一。在上海交通大学变马赫数高速风洞中开展了PIV实验研究,重点提出一种评价示踪粒子随流能力的松弛特性分析模型。在马赫数4条件下尖锥、尖劈等模型PIV实验研究中,可以准确分析粒子的松弛特性,粒径分析结果与实验吻合较好,并验证了高速流动PIv的测试精度和示踪粒子布撒能力。     

滑移流区化学非平衡流中气动热环境的数值模拟

针对滑移流区化学非平衡流中的气动热环境预测问题，采用多组分化学非平衡纳维-斯托克斯（N-S）方程对轨道验证飞行器（OREX）进行数值模拟，对比了有限催化和非催化、滑移和无滑移壁面条件下的气动加热，研究了壁面催化和滑移效应对气动热的影响规律，并分析了影响气动热的主要机制。结果表明：壁面催化和滑移效应均会影响流场物理量分布，高度为92.82 km时对激波脱体距离的影响较为明显；随着高度减小，有限催化与非催化壁面间的热流偏差增大，而滑移与无滑移壁面间的热流偏差减小；高度低于92.82 km时有限催化壁面计算得到的驻点热流值与飞行数据吻合较好，偏差均在11%以内；机制分析发现，催化效应对壁面附近的组分分布影响较大，滑移边界条件中的温度跳跃条件对壁面附近的温度分布影响显著。     

完全催化壁驻点高超声速流动加热地面模拟方法研究

在地面高焓风洞中准确模拟高超声速头部驻点区化学反应流动加热,从平衡边界层和冻结边界层驻点气动加热公式出发,分析了离解焓对不同催化特性驻点加热的影响、地面风洞非平衡来流条件下头激波后的流场参数变化规律和与天上飞行条件的差异,分析了壁面催化特性对流场参数的影响,建立了地面高焓风洞模拟完全催化壁驻点气动加热的模拟准则:只要在风洞条件下实现对驻点压力ps、驻点速度梯度βe、来流总焓hs的模拟,则能够复现天上状态的气动热载荷。针对不同半径的飞行器头部驻点开展化学非平衡流场数值模拟进行了验证,表明:地面风洞无法完全模拟飞行器头部绕流流场参数,材料的催化特性对壁面附近流场中的N、O组元和壁面热流影响较大;地面风洞采用半径1∶1的模型模拟完全催化壁驻点加热会偏低于天上状态,而根据三参数模拟准则确定的模型尺寸能够同时复现天上状态驻点区的焓、压力、热流,且随着飞行器头部半径增大头部驻点线近壁面附近的温度、组元N、O梯度与天上会趋于一致。     

近壁湍流中微小非球形颗粒取向行为研究综述

本文回顾了近十年关于微小非球形颗粒在壁湍流中取向行为的数值研究进展,重点介绍了数值方法和物理机理方面的发现.由于壁面的存在,在近壁面区域存在较强的平均剪切以及复杂的湍流结构,使得壁面的湍流具有较强的各向异性特点.前期研究发现杆状颗粒在壁面附近会倾向性地朝着流向方向,而碟状颗粒会倾向于朝着壁面法向,且这种倾向性取向行为会随着颗粒形状偏离球形的程度的增加而增强.同时,研究发现颗粒的倾向性取向行为与流体的拉格朗日的拉伸与压缩方向具有较强相关性.但是,颗粒的取向与流体的拉格朗日的拉伸与压缩方向在壁面附近的相关性要弱于其在远离壁面的槽道中部或均匀各向同性湍流的相关性,且存在较明显的形状敏感性.前期工作以杆状颗粒为例分析了其相对于拉格朗日坐标系(由左柯西格林张量三个主轴方向确定)的概率密度分布的特点,并进一步阐释颗粒行为与拉格朗日的拉伸与压缩方向的差异.同时,基于壁面湍流的特点,建立了以平均剪切与速度梯度脉动之比的颗粒转动周期预测的二维简化模型,并进一步揭示了平均剪切与速度梯度脉动在颗粒取向行为趋近于拉格朗日拉伸与压缩方向过程中的重要作用.