本文選題：爆轟驅(qū)動 + 噴射混合　； 參考：《中國工程物理研究院》2016年博士論文

【摘要】：金屬材料經(jīng)歷強(qiáng)沖擊后將發(fā)生碎裂,產(chǎn)生的顆粒物質(zhì)與背景氣體發(fā)生混合流動現(xiàn)象,簡稱噴射混合。開展噴射混合研究,對于深入理解高溫高壓條件下的氣粒兩相流動、認(rèn)識混合對壓縮過程的影響,以及優(yōu)化和改進(jìn)內(nèi)爆工程設(shè)計(jì)等具有重要意義。噴射混合的理論建模與數(shù)值模擬,是當(dāng)前內(nèi)爆壓縮科學(xué)領(lǐng)域亟需解決的難點(diǎn)和熱點(diǎn)問題,涉及多相流體力學(xué)、傳熱傳質(zhì)學(xué)、計(jì)算數(shù)學(xué)等多學(xué)科交叉研究。本文在系統(tǒng)調(diào)研分析國內(nèi)外噴射混合研究的基礎(chǔ)上,針對爆轟驅(qū)動下不同階段噴射混合過程,開展噴射金屬顆粒與氣體混合運(yùn)動的理論建模和數(shù)值模擬研究,分析和討論氣粒混合時空發(fā)展形態(tài)及其對內(nèi)爆壓縮過程的影響規(guī)律。在爆轟驅(qū)動早中期的噴射混合研究方面,基于典型爆轟流場條件,開展了氣粒相間作用分析,確定了相間力、熱耦合相互作用的主導(dǎo)項(xiàng),獲得了相應(yīng)的馳豫特征。推導(dǎo)了拉格朗日坐標(biāo)系下,含雙向耦合效應(yīng)的顆粒軌道模型控制方程組,明確了相間作用源項(xiàng)的物理含義；提出了適用于極端網(wǎng)格的顆粒搜索策略,以及氣相空間向顆粒相空間的二階映射算法,有效解決了顆粒失聯(lián)和混合流場中的非物理空穴問題,給出了與守恒律計(jì)算一致的交錯型格式,實(shí)現(xiàn)了耦合源項(xiàng)穩(wěn)定的算法；設(shè)計(jì)了平面及圓柱的計(jì)算模型,進(jìn)行了噴射混合數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)顆粒反饋改變了純氣體中激波傳播的時序過程,并且引起氣區(qū)流場物理量分布形態(tài)變化。特別對于匯聚構(gòu)型裝置,幾何收縮效應(yīng)將進(jìn)一步放大顆粒的反饋?zhàn)饔谩Ｔ诒Z驅(qū)動中晚期的噴射混合研究方面,凝練了中晚期噴射混合需要關(guān)注的科學(xué)問題,即聚心反射激波在噴射混合流場中的傳播行為以及噴射混合流場的匯聚壓縮特性。針對此階段問題的特點(diǎn)和稠密氣粒兩相流動特征,開展了雙流體模型的適用性研究；基于噴射混合物理現(xiàn)象的分析,提出了氣體-顆粒混合規(guī)則,推導(dǎo)了混合流場關(guān)鍵物理量的計(jì)算表達(dá)式,給出了適用于稀相到密相統(tǒng)一的等熵聲速計(jì)算公式。在此基礎(chǔ)上,針對不同顆粒負(fù)載,研究了等熵聲速的變化規(guī)律和機(jī)理,分析了顆粒相壓力建模參數(shù)的物理含義；對噴射混合流場中的激波傳播進(jìn)行了數(shù)值模擬,獲得了不同顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下激波傳播的動力學(xué)行為。研究了典型顆粒分布形態(tài)和不同噴射量情況下,噴射混合流場的匯聚壓縮特性和規(guī)律,發(fā)現(xiàn)了噴射量是影響匯聚壓縮晚期流場狀態(tài)的關(guān)鍵物理因素。
[Abstract]:Metal materials will break apart after strong impact, resulting in mixed flow of particulate matter and background gas, or jet mixing. The study of jet mixing is of great significance to understand the gas-particle two-phase flow at high temperature and pressure, to understand the influence of mixing on the compression process, and to optimize and improve the design of implosion engineering. The theoretical modeling and numerical simulation of jet mixing is a difficult and hot problem in the field of implosion compression science. It involves multi-phase fluid dynamics, heat and mass transfer, computational mathematics and other interdisciplinary cross-research. On the basis of systematic investigation and analysis of jet mixing at home and abroad, the theoretical modeling and numerical simulation of the mixing motion of metal particles and gases under different stages of detonation drive are carried out in this paper. The spatiotemporal development of gas-particle mixing and its influence on the implosion compression process are analyzed and discussed. In the study of jet mixing in the early and middle period of detonation drive, based on the typical detonation flow field conditions, the gas-particle interaction analysis is carried out, and the dominant terms of the interaction between phase force and heat are determined, and the corresponding relaxation characteristics are obtained. In Lagrangian coordinate system, the governing equations of particle orbit model with bidirectional coupling effect are derived, the physical meaning of the source term of interphase interaction is clarified, and the particle search strategy suitable for extreme grid is proposed. The second order mapping algorithm from gas phase space to particle phase space effectively solves the non-physical hole problem in the particle disconnection and mixed flow field, and gives a staggered scheme consistent with the calculation of conservation law, and realizes the stability algorithm of coupling source term. The computational models of plane and cylinder were designed and the numerical simulation of jet mixing was carried out. It was found that particle feedback changed the time series of shock wave propagation in pure gas and caused the change of physical quantity distribution of flow field in gas region. Especially for convergent devices, the effect of geometric shrinkage will further amplify the feedback effect of particles. In the research of jet mixing in the middle and late stage of detonation drive, the scientific problems that need to be paid attention to in the middle and late stage jet mixing are condensed, that is, the propagating behavior of the concentrated core reflected shock wave in the jet mixing flow field and the convergent compression characteristics of the jet mixed flow field. According to the characteristics of this stage problem and the characteristics of dense gas-particle two-phase flow, the applicability of two-fluid model is studied, and the gas-particle mixing rule is proposed based on the analysis of jet mixing physical phenomena. The expression of the key physical quantities in the mixed flow field is derived, and a formula of isentropic sound velocity is given, which is suitable for the unity of rarefied and dense phases. On this basis, the variation law and mechanism of Isentropic sound velocity are studied for different particle loads, the physical meaning of modeling parameters of particle phase pressure is analyzed, and the shock wave propagation in jet mixing flow field is numerically simulated. The kinetic behavior of shock wave propagation under different particle mass fraction is obtained. The convergent compression characteristics and rules of jet mixing flow field under typical particle distribution and different injection amount are studied. It is found that jet quantity is the key physical factor affecting the state of late convergent compression flow field.
【學(xué)位授予單位】：中國工程物理研究院
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：O359

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本文編號：1908735