文档介绍：哈尔滨工程大学
博士学位论文
金属颗粒在气固多相热流场的动力学特性研究
姓名:刘丛林
申请学位级别:博士
专业:一般力学与力学基础
指导教师:郜冶
2012-06-15
摘要含金属颗粒的气固多相流是一种十分典型的多相流动,其中分散相颗粒的动力学特性是工程应用中不可忽视的重要问题。当金属颗粒在流场中发生相变燃烧时,会产生大量的氧化物凝相。在高温环境中,部分凝相将回落到颗粒表面,与之结为一体,令其变为不规则的非球体,从而使其在多相流中的动力学特性发生一系列改变,进而影响整个气固多相流场的流动特性。本文主要研究非球形金属颗粒在气固多相热流场环境中的动力学特性及其对多相流场的影响。首先,针对金属颗粒的特性以及含金属颗粒的气固多相反应流的特点,以两相传热传质规律为基础,合理简化多组分反应流控制方程,建立描述多相热流场环境下颗粒动力学的数学物理模型。在此基础上,深入研究铝颗粒的非稳态相变细节,重点考察其凝相氧化物的生长过程,计算凝相回落到颗粒表面并与之结合为一体的概率,求解颗粒在流场相变过程中的实时形态。对在相变的不同阶段中所表现出的各种不规则非球形金属颗粒在流场中所受到动力学问题,利用商业软件进行对比计算,分析当量直径下颗粒的受力与真实颗粒受力间的差别,考察来流方向、湍流参数对气固多相流中非球形颗粒受力的影响。综合以上分析结果,利用商业软件.,研究含金属颗粒的典型传统发动机燃烧室以及金属/水反应发动机多相内流场的热动力学特性,统计金属颗粒在不同环境下的相变燃烧效率及其对多相流场的影响。本文的研究结果为深入开展非球形金属颗粒的动力学特性问题提供理论依据,对典型发动机燃烧室内多相流的研究结果,可为发动机的装药设计和结构改进提供参考。关键词:金属颗粒;凝相;非球形颗粒;阻力;多相流动金属颗粒在气固多相热流场的动力学特性研究
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第滦髀含金属颗粒多相热流场的研究背景及意义进剂添加物——氧化硼在燃烧室中为气态,经过喷管时发生凝结,至喷管出口在能源利用过程中经常存在固体颗粒或液滴在气流中输送、混合与燃烧等现象,这种不同相态或不同组分物质共存的复杂流动体系称为多相流动,一般比较常见的是两种相态或组分物质共存,称为两相流。多相流动是能源利用的基础,流化床/循环流化床、回转窑以及发动机燃烧室等均是多相流的典型应用。含金属颗粒的气固多相流是一种十分典型的多相流动,其中分散相颗粒的动力学特性是工程应用中不可忽视的重要问题。多相流中,颗粒与气流的速度和温度往往不相等,通常存在颗粒速度滞后、温度较高的现象,两相间存在着相互作用力,并进行质量与能量的交换⋯。在气固多相流的研究中,固体颗粒相包含三个重要的参数:浓度、尺寸和形状。这三个物理特性很容易因流场环境改变而发生变化,从而对宏观流场产生影响。例如,在典型的固体火箭发动机中,铝颗粒浓度因燃烧而逐减少,随着生成的氧化铝颗粒不断凝结至表面,颗粒外观也发生变化,由初始圆形转变为不规则形状,颗粒尺度与形状均发生较大变化。颗粒本身较小,尺寸的改变必定引起质量发生一定变化,进而影响受力状态,尤其在强迫对流条件下,不同尺寸的颗粒受力情形大不相同,即颗粒的动力学行为将随其尺寸而发生改变。颗粒相变化的同时,也会对流场产生反馈,引起连续相流场物性的改变。比如固体火箭发动机中,金属颗粒的燃烧率决定了燃烧室温度的高低,直接影响着发动机的比冲;煤燃烧、气化过程中,煤粉颗粒的运动特性决定了燃料与反应气的混合和相互作用,从而对于合理组织反应过程起到关键作用:在以雾化燃烧为特点的内燃机系统中,经喷嘴雾化后的气液两相流的特性直接决定了液体燃料的燃烧特性,进而成为决定内燃机性能的重要因素瞳在流场中,颗粒自身还可能发生旋转、碰撞、破碎、聚合及相变反应等活动而导致固相速度与粒径分布等发生改变。尤其在高温高压的热流场中,金属颗粒受热后以液滴形式存在,当温度升高到一定程度时,颗粒将开始燃烧,然而金属氧化物的沸点较高,很少呈气态,大多以雾滴形式随主气流流动。仍以发动机为例,燃烧生成的谌烧室中为液态,流经喷管时发生相变,至喷管出口处已改变为固态;而另一种常见的推
。在一定条件下,氧化物颗粒将与金属颗粒相互碰撞而融为一体,且原金属颗粒间的相互撞击也可能发生凝聚现象。同时,撞击或气动力作用还可能导致颗粒发生破碎。所以典型的含金属颗粒的气固多相流场中一般包含气相、金属颗粒液滴以及金属氧化物雾滴三相,相对于一般的两相流场更为复杂。可见,在含金属颗粒的气固多相热流场中,颗粒尺寸多变,相态不定,其力学行为与颗粒状态息息相关。颗粒对气相流场有一定的反馈作用,二者相互影响,存在着复杂的传质传热过程。以上这些