激波驱动干粉灭火剂气固两相射流数值模拟

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脉冲式干粉灭火技术能有效应对电气类火灾,其工作原理涉及复杂的激波和稠密颗粒群间相互作用,属于一个典型的稠密颗粒相可压缩气体负载流问题,与此密切相关的实际应用还广泛存在于医疗、军工和航空航天等领域。因此,研究激波诱导稠密颗粒群气固两相射流行为和参数影响规律,具有显著的学术研究和工程应用价值。本文利用ANSYS Fluent V20.2平台,采用DDPM+DEM方案,首先对方管中激波-稠密颗粒幕长时间相互作用进行四向耦合建模,并在此基础上,开展激波冲击稠密颗粒幕诱导气固两相射流的数值模拟研究,分析了激波传播、颗粒运动与散布的一般行为和参数影响规律。本文的主要创新点包括:(1)针对高速可压缩稠密气固两相流问题,基于单球阻力系数经典模型,采用乘积修正法,构建了兼顾流体可压缩性和颗粒体积分数效应修正的阻力系数模型,显著提高了颗粒运动预测的准确性。(2)定义了颗粒平均流向速度、速度不均匀度和分散度三个定量评估气固两相射流性能指标,发现了非稳态和准稳态这两个显著不同的射流阶段,揭示了喷嘴结构、激波马赫数、颗粒体积分数和粒径等因素对射流性能指标的影响规律。本文的主要结论如下:(1)激波-颗粒幕作用初期,颗粒存在迟滞现象,此后前后缘颗粒层出现剥离现象;颗粒层间构成的扩张-收缩通道,造成了颗粒幕前缘附近气流的膨胀加速;管内颗粒幕的膨胀近似地分为匀加速、匀速和减速三个阶段;激波诱导气固两相射流存在非稳态和准稳态两个显著不同阶段,其中准稳态阶段对颗粒的加速运动起决定性作用;颗粒与气相介质间的动量、能量交换是导致射流速度衰减的主要原因。(2)对于管内激波诱导的稠密气固两相流而言,颗粒直径越小、激波马赫数和颗粒体积分数越大,则激波冲击颗粒幕后的衰减程度越显著;颗粒幕膨胀的速率随颗粒直径的减小或颗粒体积分数的增大而加快,但未随着激波马赫数的增大而单调变化。(3)对于激波驱动的稠密气固两相射流而言,采用渐缩尾喷嘴、较大激波马赫数、或较小颗粒尺寸时,有利于增大颗粒平均流向速度,而颗粒幕加速效果对颗粒体积分数的变化不敏感;当尾喷嘴为渐缩结构、颗粒体积分数与尺寸越小、激波马赫数越大时,颗粒速度不均匀度和扩散度均越大。
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