Hartmann共振管及超音速气体雾化喷嘴流场数值模拟

论文摘要

喷射雾化是上世纪七十年代发展起来的一项冶金工艺,由于它能够生产高性能的冶金产品,近年来在世界各地得到了广泛和快速发展。其中,超音速气体雾化技术由于生成的产品质量较好而得到了较多的研究和关注。这项技术的关键之处在于它能够产生高频振动的超音速气流,其中高频振动的产生原因是由于超音速气体雾化喷嘴内Hartmann共振管结构的存在。因此,对Hartmann共振管中高频振动的产生机理的研究是对超音速气体雾化喷嘴内共振现象进行研究的基础。近年来,由于Hartmann共振管装置在流动的主动控制方面的应用得以广泛开展,对其共振原理的研究也随之得到了非常多的关注。其中,核心问题也是亟待解决的问题,是Hartmann共振管在几种共振模式之间转换的机理问题,以及随之带来的共振管工作的稳定性问题。但由于问题本身的困难程度,到目前为止,它还没有得到彻底的解决。对于超音速气体雾化喷嘴内部流场的研究开展得比较有限,对其的两个重要功能:高频脉动气流和超音速气流的产生机理的理论和数值研究目前在文献中还未见到,鉴于这项技术正日益得到重视和应用,因此,对其的研究具有重要性和现实意义。本论文中,首先通过对前人相关研究的调研和总结,介绍了Hartmann共振管现象的发现和理论、实验、数值模拟的研究进展,并重点介绍了Brocher等人(1970)提出的对于回流模式的“有限循环”理论,作为计算工作的理论依据和参照。本文中的计算工作主要分为两个部分:(一)Hartmann共振管流场的数值模拟(1)采用基于Roe解法的有限体积法,对Hartmann共振管流场进行了数值模拟,首先通过对一个Hartmann共振管的基本算例的数值模拟,分析了流场在回流模式下振动时流场结构的变化过程,研究了压缩波和膨胀波在管内的传播和反弹及向外场传播的过程,讨论了振动随共振管管长和射流马赫数的变化趋势,将结果同理论和实验趋势相对照,验证了计算结果对于物理问题的正确性。(2)首次研究和分析了激励器作用下共振管共振模式的转换及其机理。并将本文的研究和前人的研究相结合,探讨了激励器对振动促进作用主要的三个方面:1.放宽了回流模式振动的产生对物理参数的要求;2有助于振动在回流模式下的产生和保持.;3.有效提高了振动强度。(二)超音速气体雾化喷嘴(USGA喷嘴)流场的数值模拟(1)采用同样的数值方法,对超音速气体雾化喷嘴(USGA喷嘴)流场进行了数值模拟,研究了USGA喷嘴内的共振现象,分析了气流在USGA喷嘴内的共振管和二级共振管结构中的往复流动过程以及压缩波和膨胀波在两管内的传播和反弹的过程,对USGA喷嘴内气流振动的产生机理进行了研究和解释,即喷嘴内的Hartmann共振管和二级共振管在回流模式下振动的共振。通过对数值结果的研究,探讨了二级管对流场的振动所起的促进作用,这主要体现在两方面,即共振效应和对回流模式的促进作用,并研究了振动随管长及射流马赫数的变化趋势。(2)通过数值模拟研究了超音速气体雾化喷嘴中的“自适应喉部”的形成及其造成的气流从亚音速向超音速转变的现象,解释了造成这一现象的原因是由于出流导管壁面附近的涡结构的存在,并用数值结果呈现了自适应喉部结构的所在位置和流场结构。(3)通过数值结果推断了USGA喷嘴内的共振现象和自适应喉部现象产生的临界马赫数的大小。对于USGA喷嘴内的流场振动的研究和对超音速脉动气流产生的机理分析在前人的文献中从未见到,对于工程应用具有指导意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 Hartmann共振管简介
• 1.3 共振机理研究
• 1.4 共振的三种模式
• 1.5 Hartmann共振管的改进
• 1.6 Hartmann共振管的应用
• 1.7 近年来的研究进展
• 1.8 Hartmann共振管在喷射雾化技术中的应用
• 1.9 本文的工作
• 1.10 本章小结
• 第二章 Hartmann共振管回流模式的共振机理分析
• 2.1 引言
• 2.2 振动机理分析
• 2.3 激励器对振动的影响
• 2.4 本章小结
• 第三章 非定常可压缩N-S方程的数值解法
• 3.1 引言
• 3.2 Riemann间断分解问题的Roe解法
• 3.2.1 Riemann问题和Riemann问题列
• 3.2.2 Roe方法的基本思想
• 3.3 二维非定常Euler方程的Roe解法
• 3.4 粘性项的处理——二维非定常可压缩N-S方程的数值解法
• 3.5 数值求解中需要注意的一些问题
• 3.5.1 稳定性
• 3.5.2 限制器
• 3.5.3 边界条件
• 3.6 算例验证
• 3.6.1 激波管问题
• 3.6.2 激波泡问题
• 3.7 本章小结
• 第四章 Hartmann共振管流场的数值模拟
• 4.1 引言
• 4.2 模型的建立
• 4.3 Hartmann共振管流场的计算结果分析
• 4.3.1 流场的瞬态演化和共振的产生
• 4.3.2 共振现象的研究
• 4.3.3 物理参数对振动的影响
• 4.4 激励器引起的Hartmann共振管共振模式的转换
• 4.5 本章小结
• 第五章 超音速雾化（USGA）喷嘴流场的数值模拟
• 5.1 引言
• 5.2 模型的建立
• 5.3 流场的共振现象研究
• 5.4 物理参数对振动的影响
• 5.5 超音速气流的产生机制—自适应喉部研究
• 5.6 低马赫数的情况
• 5.7 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 附录 Riemann间断分解问题的特征表示
• 参考文献
• 作者在攻读博士学位期间公开发表的论文
• 致谢