超音速气固两相流中激波与固体颗粒群的相互作用问题一直是重要的研究课题之一,与此密切相关的实际应用包括生物医学中的无针注射器、工业应用中的超音速冷喷涂、脉冲式粉末灭火器、固体燃料助推器喷嘴等。掌握激波与颗粒群相互作用机理对超音速气固两相流理论的发展和完善以及对工业生产和技术改进都极为重要。因此,本文结合实验和数值模拟方法,进一步深入研究激波与模型球阵相互作用时非稳态阻力的产生机理和演变规律,具有显著的学术价值和工程指导意义。本文基于Φ200mm大型水平激波管装置,采用由加速度传感器、高速数据采集系统和计算机等组成的动态力测量系统实现了激波加载模型球阵非稳态曳力的直接测量,采用纹影仪和高速摄影仪采集了动态激波结构的纹影图片。实验研究了球阵空间排布(双球、单排四球和错排四球三种模型球阵,球直径均为Φ40mm)、入射激波马赫数Ms(1.06~1.41)和无量纲间距H(1.2~3.0)对模型球阻力的影响规律。基于由ICEM、Fluent等软件组成的CFD计算平台以及Tecplot、Origin等数据后处理软件,数值模拟了实验条件下激波诱导三种模型球阵绕流场和模型球阻力,通过球阵周围的动态激波结构(或压力分布)与非稳态曳力之间的相互依赖关系分析,揭示了模型球阵非稳态曳力的产生机理和演变规律。本文研究的主要结论如下:1、三种模型球阵的阻力系数的时间历程基本一致:Cd由0值急剧上升,出现一个尖锐的波峰后又急剧下降出现负值波谷,接着上升出现第二波峰后,曲线逐渐趋于稳定。激波马赫数Ms越小,曳力系数Cd峰值越大,曲线波动越剧烈,越难趋于稳定。2、对于双球模型和单排四球模型,Cd峰值随着无量纲间距H的减小而增大;对于错排四球模型,前排模型球的Cd峰值与H值之间并未存在明显的单调关系,后排模型球Cd峰值随增大H的减小而增大。3、当激波运动到模型球赤道面附近时,受激波影响的球面前驻点附近区域压力升高,Cd出现正的峰值;衍射激波在模型球后驻点附近的聚集行为,造成模型球后驻点附近高压区域以及Cd负值波谷的出现;激波在模型球前驻点附近的二次反射造成前驻点附近局部高压和Cd二次波峰的出现,此时,激波阵面刚到达模型球后驻点位置。4、从相邻球反射的激波会产生明显的相互干涉,且无量纲间距H越小,干涉越明显。5、错排四球前排模型球波谷值较小、二次波峰值较大。