《微噴射氣粒混合理論模型與數值模擬研究》是依託中國工程物理研究院流體物理研究所，由劉坤擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：微噴射氣粒混合理論模型與數值模擬研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：劉坤
- 依託單位：中國工程物理研究院流體物理研究所
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
微噴射氣粒混合問題是一個多尺度、可壓縮、多相、多學科交叉的複雜物理問題，具有迫切的國防套用背景。本項目採用理論建模與直接數值模擬相結合的方法分析歸納高速、細觀尺度微噴顆粒物質與氣體相互作用並發生混合的物理過程和規律。主要研究基於微噴實驗數據確定顆粒初始狀態的模型和方法，及微噴顆粒相對氣體做超聲速運動的作用力模型，並套用氣體-顆粒兩相流結合流固耦合方法對噴射樣品、顆粒及氣體間的相互作用和流場演化進行數值模擬，分析顆粒噴射量、噴射速度、尺寸分布、樣品自由面運動規律等因素對混合區及氣體流場的影響。本項目的研究將有助於認識微噴顆粒及氣體流場的發展演化，其數值模擬結果能為相關過程的後續發展提供直觀圖像和數值參考，對指導和設計相關實驗，探索新原理武器等有重要套用價值，也是氣體-顆粒兩相流和衝擊動力學研究的前沿課題，具有重要科學意義。
結題摘要
本文從理論建模、計算方法和數值模擬三個方面對微噴顆粒與氣體相互作用問題進行了研究。理論建模方面，首先基於平面微噴實驗給出的速度-噴射量、顆粒尺度-數目數據結合蒙特卡洛隨機思想確定出初始顆粒的大小、運動速度以及空間分布；通過分析運動顆粒受氣體的作用力大小主要考慮了定場阻力和附加質量力，並採用模型力方法計算受力。計算方法方面採用顆粒軌道模型的氣體顆粒兩相流方法描述氣粒間的相互作用，其中氣體部分採用考慮外力的PPM方法求解，顆粒採用牛頓第二定律一一跟蹤，運動樣品對氣體和顆粒的影響採用流固耦合方法處理；此外為分析高速微尺度顆粒受力還初步探索了基於氣體動理學的間斷伽遼金算法；完成了相關程式開發，並對相關算法正確性進行了驗證。數值模擬方面，基於本項目所開發的氣體顆粒兩相流程式對平面、柱面和球面等微噴問題開展了數值模擬研究，給出了顆粒群、氣體以及運動樣品的演化圖像，特別給出顆粒群寬度隨時間的變化曲線，發現顆粒在進入氣體流場的初始階段做非線性減速運動，但當顆粒穿過激波進入波後運動期間，顆粒被波後氣體加速，顆粒群寬度呈現緩慢增加趨勢，對於平面情形趨於穩定的顆粒群寬度小於2mm，這與實驗觀測結果一致；此外還對不同的初始氣體壓力進行了數值模擬，結果表明，初始氣體壓力越大，顆粒混合區寬度越小，但整體變化規律沒有發生顯著改變。本文的工作加深了對微噴顆粒與氣體的混合問題的認識，給出了顆粒與氣體混合過程的直觀圖像，對進一步最佳化微噴氣粒混合相關實驗和裝備具有一定指導意義。
