激波驅(qū)動(dòng)稠密固體相微米顆粒群加速性能的實(shí)驗(yàn)研究

第一作者陳婉君女，碩士生，1990年生

通信作者章利特男，博士，副教授，1979年生

激波驅(qū)動(dòng)稠密固體相微米顆粒群加速性能的實(shí)驗(yàn)研究

陳婉君，章利特，黃保乾，施紅輝，張?zhí)O

(浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院，杭州310018)

摘要：設(shè)計(jì)水平激波管-加速直管段-裝載室-尾噴嘴組合裝置，利用動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量和高速攝影技術(shù)，實(shí)驗(yàn)研究了不同尾噴嘴類型、顆粒直徑、馬赫數(shù)和裝載比下伴隨激波和微米級(jí)稠密固體顆粒相的氣固兩相流現(xiàn)象和顆粒加速規(guī)律。得出：(①稠密顆粒相時(shí)，噴嘴類型對(duì)顆粒群加速效果排序可能為擴(kuò)張型>收縮型>縮放型，與稀顆粒相情形不同，必須考慮激波衰減、顆粒團(tuán)聚、壁面摩擦和顆粒擁堵的影響；②直徑越大，顆粒加速效果越好，不能以單顆粒直徑估計(jì)曳力大小，須考慮顆粒團(tuán)聚的影響；③激波馬赫數(shù)越大，顆粒群加速效果越好；④顆粒裝載比較小時(shí)，顆粒群在收縮噴嘴內(nèi)的加速效果較好，但裝載比達(dá)到一定程度后，其進(jìn)一步增大影響不大。

關(guān)鍵詞：激波;噴嘴;稠密固體相;顆粒團(tuán)聚;加速性能

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51006091)；浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(LY13E060011)；流體機(jī)械及工程省重點(diǎn)學(xué)科及流體工程技術(shù)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(11130031201301)

收稿日期：2013-11-01修改稿收到日期：2014-02-20

中圖分類號(hào):O354；O359

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2015.07.022

Abstract:Aiming at the issues of the gas-solid two-phase flow phenomena, which are accompanied by shock waves and under the condition of dense solid phase composed of micron particles, and for the sake of making clear the acceleration performance of particles, a series of experiments were conducted to investigate the influences of the key parameters including type of tail nozzles, mean diameter of particles, shock Mach number and loading ratio of particles. In these experiments, a composite setup, consisting of end-to-end connections of a horizontal shock tube, a constant-section straight tube, a particle loading room and a tail nozzle, was employed and furnished with the instruments of dynamic pressure measurement and high-speed photography. The results are summarized that in event of dense particle phase, the priority of acceleration performance of particles in different types of tail nozzles could be ranked as: the first is in a divergent nozzle, the second is in a convergent nozzle, and the last is in a convergent-divergent one, that is of difference from that under the condition of dilute particle phase. Therefore, it should be taken into account that the influences of possible attenuation of incident shock wave, agglomeration of particles, friction force on nozzle wall and blockage of particles on the acceleration performance of particles. Greater diameter of particles corresponds to a better acceleration effect, implying that the effect of agglomeration of particles should be considered for the evaluation of drag force other than the bare consideration of the diameter of a single particle. The acceleration performance of particles is better for a larger shock Mach number. The acceleration performance of particles in a convergent nozzle decreases as the increase of loading ratio, however, no response on acceleration performance of particles would happen to a further increase of loading ratio after loading ratio reaches a certain value.

Experimental investigation of acceleration performance of dense-solid-phase micron particles driven by shock waves

CHENWan-jun,ZHANGLi-te,HUANGBao-qian,SHIHong-hui,ZHANGPing(School of Mechanical Engineering and Automation, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China)

Key words:shock wave; nozzle; dense-solid-phase; agglomeration of particles; acceleration performance

激波與顆粒相互作用的問(wèn)題一直是氣固兩相流現(xiàn)象領(lǐng)域中的重點(diǎn)研究對(duì)象，也是國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)之一，在工業(yè)、醫(yī)療、航天航空等多個(gè)領(lǐng)域中都具有重要的作用。Takayama等[1-3]對(duì)激波與顆粒作用時(shí)的非穩(wěn)態(tài)曳力進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和研究，發(fā)現(xiàn)顆粒受到的曳力具有顯著的瞬變特性，可能呈現(xiàn)瞬時(shí)負(fù)值，且與穩(wěn)態(tài)曳力存在量級(jí)差異。Bellhouse等[4]提出了利用激波管原理注射藥物顆粒到人皮膚和口腔黏膜中，實(shí)現(xiàn)粉末的無(wú)針注射技術(shù)。Kendall等[5]通過(guò)畢托管來(lái)測(cè)試噴嘴出口處的靜壓變化，利用紋影技術(shù)分析氣相流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，開(kāi)展了疫苗和藥物粉末的輸運(yùn)效果的研究。施紅輝等[6-8]利用水平激波管，對(duì)激波與固體顆粒群的相互作用過(guò)程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，分析了氣相熱力參數(shù)、顆粒相幾何、物性和載荷等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)顆粒加速和激波衰減的影響。饒瓊等[9]利用縮放噴嘴產(chǎn)生超音速氣流，針對(duì)超聲速噴涂技術(shù)，開(kāi)展了固體顆粒加速、顆粒與基板碰撞以及粒子沉積等環(huán)節(jié)的研究。

由此可見(jiàn)，國(guó)內(nèi)外已針對(duì)伴隨激波的超聲速氣固兩相流現(xiàn)象都進(jìn)行了大量研究，但是由于激波的存在增加了問(wèn)題的復(fù)雜性，一方面，以單顆粒為模型對(duì)象所建立的顆粒阻力系數(shù)模型向顆粒載荷比較大的兩相流推廣時(shí)可能造成顯著誤差，另一方面，直接針對(duì)伴隨激波的氣固兩相流，尤其是稠密顆粒相條件下顆粒群運(yùn)動(dòng)和空間分布演變的現(xiàn)象和影響規(guī)律的研究仍不夠系統(tǒng)深入。

本文在現(xiàn)有水平激波管裝置基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)組裝水平激波管-加速直管段-裝載室-尾噴嘴組合裝置，利用高速攝影儀捕獲顆粒群運(yùn)動(dòng)圖像，研究不同尾噴嘴類型、顆粒粒徑、激波馬赫數(shù)和顆粒載荷比下激波驅(qū)動(dòng)固體顆粒群的現(xiàn)象和效果。張萍等[10]已經(jīng)詳細(xì)闡述了尾噴嘴的設(shè)計(jì)方法，并給出了采用水平激波管-裝載室-加速直管段-尾噴嘴組合裝置的實(shí)驗(yàn)方法和部分結(jié)果。本文研究是該工作的延續(xù)和拓展，以期對(duì)存在激波和微米級(jí)稠密固體顆粒相的氣固兩相流現(xiàn)象和顆粒加速效果影響規(guī)律的認(rèn)識(shí)更加深入，獲得用于數(shù)值計(jì)算模型和方法驗(yàn)證的定量實(shí)驗(yàn)依據(jù)，為相關(guān)領(lǐng)域的裝置設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1組合裝置設(shè)計(jì)意圖

本文在現(xiàn)有內(nèi)徑為Φ25 mm的水平激波管裝置基礎(chǔ)上，將激波管被驅(qū)動(dòng)段、加速直管段、顆粒裝載室和尾噴嘴依次連接，得到用于本文實(shí)驗(yàn)的組合裝置(如圖1(a)所示)。圖1(b)顯示破膜后激波、膨脹波和接觸面位置與運(yùn)動(dòng)方向以及流場(chǎng)分區(qū)情形，依據(jù)激波管理論可認(rèn)為此時(shí)2區(qū)和3區(qū)的氣流速度和壓力都相等，由于激波速度uS大于波后氣流速度(即接觸面速度)，因此，在激波管被驅(qū)動(dòng)段和裝載室之間連接加速直管段可延長(zhǎng)參數(shù)穩(wěn)定的2區(qū)氣流在裝載室和尾噴嘴內(nèi)對(duì)顆粒群的作用時(shí)間。

圖1　組合裝置內(nèi)流動(dòng)示意圖 Fig.1 Flow schematic diagram in composite setup

圖1(c)為組合裝置內(nèi)的x-t圖，其中，激波與接觸面分別用一條實(shí)線和一條虛線來(lái)表示，而膨脹波則由一束特征線組成。激波與顆粒群相互作用后會(huì)同時(shí)產(chǎn)生反射和透射激波，透射激波在穿越顆粒群的過(guò)程中會(huì)不斷衰減[11]，波后氣流速度也會(huì)隨之減小，因此其進(jìn)入噴嘴前可能是超聲速，也可能是亞聲速。由于亞聲速和超聲速來(lái)流在收縮型、縮放型和擴(kuò)張型噴嘴內(nèi)的流動(dòng)變化不同，勢(shì)必在夾帶顆粒運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中呈現(xiàn)加速效果的差異。

因此，本文組合裝置連接方式的主要意圖是保證顆粒群在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)獲得參數(shù)穩(wěn)定的來(lái)流加速，并可進(jìn)行不同類型噴嘴影響的比較。

表1為依據(jù)文獻(xiàn)[10]方法設(shè)計(jì)的收縮型、縮放型和擴(kuò)張型尾噴嘴的設(shè)計(jì)參數(shù)，其基本設(shè)計(jì)步驟是：①給定入口馬赫數(shù)M1、出口馬赫數(shù)M2、入口截面積和噴嘴長(zhǎng)度，通過(guò)等熵計(jì)算求得初步的噴嘴喉部、出口截面積；②考慮氣體流動(dòng)過(guò)程中存在的摩擦損失，對(duì)初步的噴嘴參數(shù)進(jìn)行粘性流動(dòng)數(shù)值修正，最終確定噴嘴出口和喉部截面積。

表1　尾噴嘴設(shè)計(jì)參數(shù)

2實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)參數(shù)

1.高壓氣瓶，2. 減壓閥，3. 破膜壓力表，4. 驅(qū)動(dòng)段，5. 鋁膜，6. 排氣壓力閥，7. 被驅(qū)動(dòng)段，8. 直管加速段，9. 傳感器，10. 裝載室，11. 噴嘴，12. 回收室，13. 照明燈，14. 攝像頭，15. 固體顆粒，16. 控制臺(tái)，17. 針閥 圖2　實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)簡(jiǎn)圖 Fig.2 Schematic diagram of experimental setup

圖2為本實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)的示意圖，其中，激波管驅(qū)動(dòng)段、被驅(qū)動(dòng)段、加速直管段、顆粒和不同類型尾噴嘴等各段長(zhǎng)度分別為500 mm、1 570 mm、500 mm、和160 mm，根據(jù)不同顆粒裝載量的需要，設(shè)計(jì)了16.67 mm、33.33 mm和50 mm三種裝載室長(zhǎng)度。本實(shí)驗(yàn)的測(cè)試

系統(tǒng)主要包括兩部分，其一為Keyence公司的動(dòng)態(tài)分析三維顯微系統(tǒng)(VW-6000/5000)，用于運(yùn)動(dòng)顆粒的動(dòng)態(tài)圖像捕捉；其二為由壓電式壓力傳感器(CY-YD-205)、電荷放大器(BZ2102B)、高速數(shù)據(jù)采集記錄儀(TST5911)和電腦組成的動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量系統(tǒng)。

表2顯示了本文的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，其中，工況He-0.08表示高壓氣體為氦氣、鋁膜厚度為0.08 mm，P4/P1是驅(qū)動(dòng)段和被驅(qū)動(dòng)段在破膜時(shí)的壓比，裝載比定義為實(shí)際裝載顆粒質(zhì)量與填滿長(zhǎng)度為50 mm裝載室的顆粒質(zhì)量之比，表中的1/3、2/3和1三種裝載比通過(guò)填滿不同長(zhǎng)度裝載室實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)中共采用He和N2兩種高壓氣體，0.05 mm、0.08 mm和0.1 mm三種厚度鋁膜片，550 μm、270 μm和160 μm三種直徑的SiC顆粒。

表2　激波管實(shí)驗(yàn)參數(shù)表

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1尾噴嘴類型的影響

圖3顯示了氦氣為驅(qū)動(dòng)氣體、激波馬赫數(shù)MS=1.857、顆粒裝載比α=1/3、顆粒直徑dp=550 μm時(shí)，顆粒群在收縮型、縮放型和擴(kuò)張型三種不同尾噴嘴中的運(yùn)動(dòng)圖片。拍攝速率為4 000 fps，每間隔2幅選取一張，相鄰兩張圖片的時(shí)間間隔為0.75 ms，顆粒運(yùn)動(dòng)方向自左向右。追蹤顆粒群運(yùn)動(dòng)過(guò)程中每一時(shí)刻的前緣點(diǎn)位置，根據(jù)公式v=(x2-x1)/(t2-t1)計(jì)算出各個(gè)時(shí)刻顆粒群的運(yùn)動(dòng)速度v，其中，下標(biāo)1、2分別表示所選取的相鄰兩幅圖片對(duì)應(yīng)參數(shù)，x為前緣點(diǎn)相對(duì)于初始時(shí)刻的位移，t表示時(shí)間，據(jù)此可分別繪出顆粒群的位移圖和速度圖。

圖3　He-0.08工況下不同類型尾噴嘴內(nèi)的 顆粒群運(yùn)動(dòng)圖像(M S=1.857，α=1/3，dp=550 μm， 4 000 幀/秒，運(yùn)動(dòng)自左向右) Fig.3 Particle groups’ motion images in different types of tail nozzles under the condition of H 2-0.08 (M S=1.857，α=1/3，dp=550 μm， 4 000 frame per second，movement from left to right)

圖4　He-0.08工況下不同類型尾噴嘴內(nèi)的顆粒群運(yùn)動(dòng) 關(guān)系圖(M S=1.857，α=1/3，dp=550 μm) Fig.4 Particle groups’ motion relationship in different types of tail nozzles under the condition of H 2-0.08(M S=1.857，α=1/3，dp=550 μm)

由圖3可以看出，在收縮型噴嘴內(nèi)，絕大部分顆粒群一直處于團(tuán)聚狀態(tài)，緊貼管壁運(yùn)動(dòng)并沿軸向較緩慢伸展，顆粒群下游端少量顆粒局部散落，趨向噴嘴軸線部位集中，并沿軸向較快速拉伸，形成聚集的“針尖型”尾跡；在縮放型噴嘴內(nèi)，顆粒群末端在通過(guò)喉部之前基本保持與橫截面平行的平面狀態(tài)，無(wú)明顯末端顆粒脫落現(xiàn)象，通過(guò)喉部之前顆粒群團(tuán)聚緊貼管壁滑行跡象嚴(yán)重，通過(guò)喉部的上游端顆粒群沿軸向快速拉伸，并向軸線部位收攏，直到顆粒群末端通過(guò)喉部后，靠近末端的部分顆粒貼近噴嘴壁面向上游噴射，趕超處于噴嘴中心區(qū)的上游顆粒群，說(shuō)明顆粒群在喉部阻塞嚴(yán)重，靠近末端的其余部分顆粒則脫離出來(lái)，形成分散的“圓錐型”尾跡；在擴(kuò)張型噴嘴內(nèi)，顆粒群較快分成兩大部分，彼此之間形成幾乎無(wú)顆粒的斷帶，前后兩片趨于顆粒在徑向和軸向都呈現(xiàn)顯著發(fā)散狀態(tài)，沒(méi)有明顯的團(tuán)聚顆粒群緊貼壁面滑行跡象。

圖4為圖3相同工況下的不同尾噴嘴內(nèi)顆粒群運(yùn)動(dòng)的x-t圖(見(jiàn)圖4(a))和v-t圖(見(jiàn)圖4(b))。可以發(fā)現(xiàn)，顆粒群在不同尾噴嘴內(nèi)的加速效果存在前后兩種截然相反的排序，即前期階段縮放型>收縮型>擴(kuò)張型，但是后期階段擴(kuò)張型>收縮型>縮放型，根據(jù)圖4(b)上各速度曲線的線性擬合的斜率可確定收縮形、縮放形和擴(kuò)張形噴嘴內(nèi)的顆粒群平均加速度分別為2 403 m/s-2、1 926 m/s-2和6 087 m/s-2。

由表2可知，入射激波后的氣流馬赫數(shù)為0.876，在氣體單相流動(dòng)的理想情況下，氣流在縮放型噴嘴內(nèi)一直加速，在擴(kuò)張段出口可達(dá)超聲速；氣流在收縮噴嘴也一直加速，但最多只能達(dá)到噴嘴出口的聲速；氣流在擴(kuò)張型噴嘴內(nèi)一直減速。這就解釋了上述顆粒群加速效果的前期階段的排序情形。那為何會(huì)出現(xiàn)情況完全相反的后期階段呢？主要原因有兩方面，其一，激波在通過(guò)顆粒群時(shí)，會(huì)同時(shí)出現(xiàn)反射激波和不斷衰減的透射激波，使得實(shí)際波后氣流在進(jìn)入噴嘴前的馬赫數(shù)和進(jìn)入噴嘴后的速度變化與氣流單相不同；此外，其二，結(jié)合對(duì)顆粒群運(yùn)動(dòng)圖片的觀察可知：縮放型噴嘴的收縮段截面的急劇減小和尺寸遠(yuǎn)小于入口截面的喉部同時(shí)造成了嚴(yán)重的管壁面摩擦阻力和顆粒群的擁堵；收縮型噴嘴的截面減小使顆粒群貼壁滑行導(dǎo)致的摩擦阻力依然顯著，但相對(duì)前者較弱；而擴(kuò)張型噴嘴的幾何形式使顆粒群處于較發(fā)散狀態(tài)，避免了大量團(tuán)聚顆粒貼壁滑行引起的可觀的摩擦阻力。這就解釋了顆粒群加速與理想情況下不同的原因，其根源在于顆粒相是稠密相，由此可能引起的激波衰減、顆粒團(tuán)聚、壁面摩擦和顆粒擁堵現(xiàn)象在伴隨激波的氣固兩相流建模時(shí)需要作適當(dāng)考慮，否則會(huì)引起不符合實(shí)際的結(jié)果。

3.2粒徑的影響

圖5顯示了氮?dú)鉃轵?qū)動(dòng)氣體、激波馬赫數(shù)MS=1.385、顆粒裝載比α=1/3時(shí)，在收縮型噴嘴內(nèi)直徑分別為550 μm、270 μm和160 μm三種顆粒群的運(yùn)動(dòng)圖片。拍攝速率為4 000 fps，每間隔3幅選取一張，顆粒運(yùn)動(dòng)方向自左向右?？梢园l(fā)現(xiàn)，直徑為550 μm顆粒群在運(yùn)動(dòng)一段距離后，上游端變尖，沒(méi)有明顯團(tuán)聚顆粒群貼壁運(yùn)動(dòng)跡象，下游端有較大比例顆粒脫離出去，并逐漸形成分散和伸長(zhǎng)的尾跡；直徑為270 μm顆粒群，有比例較低的部分顆粒脫離主體，逐漸形成比較稀疏的尾跡，上游段顆粒群團(tuán)聚運(yùn)動(dòng)明顯，且有較顯著的團(tuán)聚顆粒貼壁滑行跡象；直徑為160 μm顆粒群，幾乎沒(méi)有顆粒脫離主體現(xiàn)象，逐漸形成較致密的尾跡，顆粒群主體基本上團(tuán)聚一起運(yùn)動(dòng)，深色的顆粒群外輪廓與噴嘴內(nèi)壁基本重疊，足見(jiàn)團(tuán)聚顆粒貼壁滑行現(xiàn)象嚴(yán)重。

圖6為圖5相同工況下的不同直徑顆粒群運(yùn)動(dòng)的x-t圖(圖6(a))和v-t圖(見(jiàn)圖6(b))?？梢园l(fā)現(xiàn)，顆粒直徑越大，顆粒群在收縮噴嘴內(nèi)的加速效果越好。根據(jù)圖6(b)上各速度曲線的線性擬合的斜率可確定直徑為550 μm、270 μm和160 μm的顆粒群平均加速度分別為2 941 m/s2、1 663 m/s2和1 337 m/s2。

由表2可知，入射激波后的氣流馬赫數(shù)為0.495，理想情況下，氣流在收縮型噴嘴內(nèi)一直加速?？紤]單顆粒或者稀顆粒相情形，根據(jù)顆粒雷諾數(shù)Re定義式

Re=vdP/ν

(1)

式中，v取波后氣流速度，ν為空氣運(yùn)動(dòng)粘性，可確定顆粒雷諾數(shù)Re范圍1 826～5 706，此時(shí)，圓球曳力系數(shù)CD約為常數(shù)值0.44，根據(jù)曳力系數(shù)定義式

(2)

式中，f=ma為曳力，m為圓球顆粒質(zhì)量，正比于顆粒直徑dp的三次方，a為顆粒加速度，S為圓球橫截面積，

圖5　N 2-0.05工況下收縮型尾噴嘴內(nèi)不同 直徑顆粒群的運(yùn)動(dòng)圖像(M S=1.385， α=1/3，4 000 幀/秒，運(yùn)動(dòng)自左向右) Fig.5 Particle groups’ motion images in a convergent nozzle at different diameters under the condition of N 2-0.05(M S=1.385，α=1/3，4 000 frame per second， movement from left to right)

圖6　N 2-0.05工況下收縮型尾噴嘴內(nèi) 不同直徑顆粒群的運(yùn)動(dòng)關(guān)系圖(M S=1.385，α=1/3) Fig.6 Particle groups’ motion relationship in a convergent nozzle at different diameters under the condition of N 2-0.05(M S=1.385，α=1/3)

正比于dp的平方，可見(jiàn)，a與dp近似呈反比。本文實(shí)驗(yàn)的實(shí)際情形卻與之恰好相反，原因何在？

首先，稠密顆粒相條件下，顆粒直徑的增大使顆粒群空隙率增大，入射激波的透射更強(qiáng)、反射更弱，使得在噴嘴內(nèi)相同軸向位置處夾帶顆粒的氣流速度更大；其次，直徑越小的顆粒群，團(tuán)聚現(xiàn)象越嚴(yán)重，此時(shí)，不能簡(jiǎn)單地看作各自獨(dú)立的小直徑顆粒被氣流夾帶的加速運(yùn)動(dòng)，而理解為若干個(gè)或一整個(gè)當(dāng)量直徑更大的顆粒團(tuán)運(yùn)動(dòng)更合適；最后，由實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象還可知，直徑越小的顆粒更嚴(yán)重的團(tuán)聚現(xiàn)象還會(huì)引起噴嘴壁面更大的摩擦阻力。這就造成了稠密顆粒相時(shí)跟單顆粒或稀疏顆粒相時(shí)，顆粒群加速與顆粒直徑關(guān)系看似相悖、實(shí)則合理的不同結(jié)果。

3.3馬赫數(shù)的影響

圖7　氮?dú)怛?qū)動(dòng)下不同激波馬赫數(shù)時(shí)收縮型尾噴嘴內(nèi) 的顆粒群運(yùn)動(dòng)關(guān)系圖(α=1/3，dp=550 μm) Fig.7 Particle groups’ motionrelationship in a convergent nozzle at different shock Mach numbers by N 2driven (α=1/3，dp=550 μm)

圖7顯示了氮?dú)鉃轵?qū)動(dòng)氣體、顆粒直徑dp=550 μm、顆粒裝載比α=1/3條件下，激波馬赫數(shù)Ms=1.385、1.524和1.783時(shí)，收縮型尾噴嘴內(nèi)的顆粒群運(yùn)動(dòng)的x-t圖(圖7(a))和v-t圖(圖7(b))?？梢园l(fā)現(xiàn)，鋁膜厚度越厚，即激波馬赫數(shù)越大，顆粒群通過(guò)收縮型尾噴嘴所需時(shí)間越短，顆粒群加速運(yùn)動(dòng)效果越好。根據(jù)圖7(b)上各速度曲線的線性擬合的斜率可確定鋁膜厚度為0.05 mm、0.08 mm和0.1 mm時(shí)的顆粒群平均加速度分別為2 150 m/s2、4 391 m/s2和16 632 m/s2。

膜片厚度的增加，需要更大的破膜壓力(壓比)，產(chǎn)生的激波馬赫數(shù)也相應(yīng)增大。對(duì)于直徑和裝載比相同的顆粒群，馬赫數(shù)較大的入射激波通過(guò)裝載室時(shí)，由表2可知，對(duì)應(yīng)從薄到厚三種鋁膜厚度的入射激波后的氣流馬赫數(shù)(即氣流速度)也較大，反射激波和透射激波的強(qiáng)度較大，意味著顆粒群能夠獲得來(lái)自激波的由顆粒群下游和上游兩端壓差力引起的較大的初動(dòng)量，并且，透射激波后原先處于裝載室的氣流速度也較大，這樣在收縮噴嘴內(nèi)各處用于夾帶加速顆粒群運(yùn)動(dòng)的氣流速度都較大，從而使顆粒群獲得更好的加速效果。

3.4裝載比的影響

圖8顯示了氮?dú)鉃轵?qū)動(dòng)氣體、激波馬赫數(shù)Ms=1.524、顆粒直徑dp=550 μm條件下，顆粒裝載比α=1/3、2/3和1時(shí)，收縮型尾噴嘴內(nèi)的顆粒群運(yùn)動(dòng)的x-t圖(圖8(a))和v-t圖(圖8(b))?？梢园l(fā)現(xiàn)，顆粒裝載比越小，顆粒群通過(guò)收縮型尾噴嘴所需時(shí)間越短，顆粒群加速運(yùn)動(dòng)效果越好。根據(jù)圖8(b)上各速度曲線的線性擬合的斜率可確定顆粒裝載比為1/3、2/3和1時(shí)的顆粒群平均加速度分別為4 391 m/s2、1 098 m/s2和1 212 m/s2。

圖8　N 2-0.08工況下不同裝載比時(shí)收縮型 尾噴嘴內(nèi)的顆粒群運(yùn)動(dòng)關(guān)系圖(M S=1.524，dp=550 μm) Fig.8 Particle groups’ motionrelationship in a convergent nozzle at different loading ratios under the condition of N 2-0.08(M S=1.524，dp=550 μm)

由于顆粒群填滿裝載室，只是通過(guò)更換長(zhǎng)度不同的裝載室來(lái)改變裝載比，因此，裝載室在激波到來(lái)之前除了顆粒群本身的孔隙外，都沒(méi)有人為的裝載孔隙。對(duì)于不同顆粒裝載比條件，相同馬赫數(shù)入射激波到達(dá)時(shí)提供的下游和上游端的壓差力基本一致，由于顆粒群質(zhì)量的差異，裝載比較小時(shí)(如：α=1/3)顆粒群獲得更大的初動(dòng)量，而透射激波強(qiáng)度衰減也更低，意味著同一位置處的氣流速度更大。同時(shí)，也要注意到，盡管裝載比α=2/3時(shí)較裝載比α=1時(shí)平均速度略大，但平均加速度反而略小，這首先可能與采用的顆粒群前緣點(diǎn)追蹤方法有關(guān)。本文不是顆粒群后緣點(diǎn)或者質(zhì)心，原因是前緣點(diǎn)顆粒群處于聚集狀態(tài)，比較清晰，易于準(zhǔn)確追蹤，由于顆粒群在下游端的擴(kuò)散，出現(xiàn)在尾跡區(qū)的單顆粒不清晰且不具代表性，對(duì)于本文的微米顆粒群，準(zhǔn)確追蹤質(zhì)心非常困難。此外，還有一個(gè)原因可能比較重要，即裝載比α=1時(shí)較裝載比α=2/3時(shí)的裝載室長(zhǎng)度大出16.67mm，由此引起了顆粒群總體加速距離的差異，使得顆粒在收縮噴嘴靠近出口的末段，出現(xiàn)了顆粒群平均速度反超的現(xiàn)象。無(wú)論如何，可以得出：顆粒群裝載比較小時(shí)，激波驅(qū)動(dòng)顆粒群在收縮噴嘴內(nèi)的加速效果較好，但裝載比大到一定程度后，在激波管驅(qū)動(dòng)能力所允許的一定范圍內(nèi)，顆粒群的加速效果對(duì)裝載比的進(jìn)一步增大不是特別敏感。

4結(jié)論

本文采用水平激波管-加速直管段-裝載室-尾噴嘴組合裝置，利用動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量和高速攝影技術(shù)，實(shí)驗(yàn)研究了伴隨激波和微米級(jí)稠密固體顆粒相的氣固兩相流現(xiàn)象和顆粒加速效果影響規(guī)律。結(jié)論如下：

(1)波后氣流馬赫數(shù)M2=0.876時(shí)，不同類型尾噴嘴內(nèi)顆粒群的平均速度排序分兩個(gè)階段，前期階段為縮放型>收縮型>擴(kuò)張型，后期階段排序相反，顆粒群平均加速度排序?yàn)閿U(kuò)張型>收縮型>縮放型，這與稀疏顆粒相情形不同，原因是顆粒相為稠密相時(shí)，可能引起的激波衰減、顆粒團(tuán)聚、壁面摩擦和顆粒擁堵對(duì)不同類型尾噴嘴內(nèi)的顆粒群加速影響有顯著差別。

(2)收縮型尾噴嘴對(duì)直徑越大的顆粒加速效果越好，這同單球時(shí)顆粒加速與直徑關(guān)系不符，原因是對(duì)于稠密固體微米級(jí)顆粒群，顆粒直徑越小，顆粒團(tuán)聚效應(yīng)越顯著，貼壁滑行現(xiàn)象越嚴(yán)重，在噴嘴各處驅(qū)動(dòng)顆粒的氣流速度越小，因此，不能以單顆粒直徑估計(jì)曳力大小，必須考慮顆粒團(tuán)聚的重要影響。

(3)膜片厚度越厚，產(chǎn)生的激波馬赫數(shù)越大，入射激波授予顆粒群的初速度和在裝載室以及收縮噴嘴內(nèi)各處用于夾帶加速顆粒群運(yùn)動(dòng)的氣流速度都越大，從而使顆粒群平均速度和加速度越大，即加速效果更好。

(4)顆粒裝載比較小時(shí)，激波驅(qū)動(dòng)顆粒群在收縮噴嘴內(nèi)的加速效果較好，但裝載比大到一定程度后，在激波管驅(qū)動(dòng)能力所允許的一定范圍內(nèi)，顆粒群的加速效果對(duì)裝載比的進(jìn)一步增大不敏感。

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