任兆欣答辩在线视频

尊敬的各位老师大家下午好

我叫任兆欣

专业是航空宇航科学与技术

我的硕士论文题目是

超音速两相混合层中

颗粒弥散与响应机制的研究

我的导师为王兵副教授

首先介绍一下主要内容

这里分为四个部分进行介绍

首先是背景与意义

然后是研究方法

研究内容包含

颗粒的弥散与湍流调制

以及颗粒的响应机制

最后做一下全文的总结

首先介绍

我们的研究背景与意义

超音速两相流动广泛存在于

工业工程以及国防科技领域中

例如超燃冲压发动机内

燃烧室两相湍流燃烧

以及超空泡鱼雷尾迹中的

一个空泡 空化气泡的流动

以及超音速等离子喷涂中

材料颗粒的运动

再者爆炸中炸药颗粒的

一个高速喷散的一个运动

我们作为航空航天专业的人才

我们的研究限制于发动机中

美国于2002年 2006年

分别进行了X43

超音速飞行器的试飞

那么2010年进行了

X51超音速飞行器的试飞

这两种飞行器用的均是

超燃冲压发动机

我们可以看到

超燃冲压发动机燃烧室中

所存在着喷射出的燃料

与超音速气流的

一个混合燃烧过程

这我们可以通过两相混合层

进行一个简化

两相即是颗粒相

以及负载颗粒的

一个超音速的一个气流气相

本课题是在国家课题工程

专项的支持下开展了

超音速两相混合层中

颗粒弥散与响应机制的研究

首先对负载颗粒的一个

单相超音速可压缩混合层

进行一下研究进展的汇报

研究主要是存在

发现大尺度拟序

拟序旋涡控制流动的一个过程

然后还有对流马赫数表征的

流动的可压缩性

对流马赫数的计算公式如下

由上下两股（来流）的速度

以及音速决定那么可以

从实验结果可以看到出

随着对流马赫数的升高

可压缩性增强

流动中的大尺度

大尺度旋涡逐渐被三维的

小尺度旋涡旋涡所替代

那么回到两相流动

超音速两相湍流流动的现象

更加复杂而且目前进展

研究进展缓慢

进入到超音速

那就必须谈到一个激波

激波与湍流的一个相互作用

以及激波与两相中颗粒的

一个相互作用

都需要研究

但是这些东西

这些领域的话研究

目前来说

还是进展缓慢的

之前的亚音速也就是

不可压缩的两相湍流

主要关注点是颗粒

湍流对颗粒的影响

也就是颗粒在流场中的

一个倾向性聚集的一个现象

以及颗粒对湍流的一个反作用

也就是湍流调制的一个过程

我们可以看到不同尺度的颗粒

在流场中存在着

不同的运动规律

它是由Stokes数来表征的

Stokes数越小

那么颗粒的流动特征

越接近于流体质点

湍流调制也就是颗粒

对流场的一个反作用

颗粒存在一般会增加

额外的耗散

会抑制混合层

或者是湍流中的

旋涡的一个发展

那么我们对研究现状

进行一下总结

激波作用下的超音速

两相混合层多尺度

多时间尺度多流动尺度

多颗粒尺度的一个复杂问题

它对它的机理的一个理解

对超燃发动机的发展十分重要

其次是大涡拟序结构

控制着超音速混合层的发展

颗粒呈现倾向性的分布特征

影响着流动的混合过程

最后目前来说可以看到

超燃冲压

超音速条件下

颗粒对湍流的一个调制过程

非常鲜见报道

其次是颗粒对激波的

一个响应机制的研究不充分

因此我们开展

超音速两相混合层中

颗粒弥散与响应机制的研究

就是为了对超燃冲压发动机的

工程设计提供理论指导

那么现在介绍一下

我们的研究手段

研究方法分为可以有

理论分析实验研究

以及数值模拟

我们现在用的是

数值模拟的一个方法

气相采用大涡模拟

颗粒采用颗粒轨道模型

左边显示的是

气相的大涡模拟控制方程

那么我们这里用了

Smagorinsky亚格子

亚格子应力模型去描述

亚格子尺度的流动

那么颗粒相的方程

如右边所示

我们这里只考虑了拖曳力

以及对流换热对两相之间

动量以及能量之间的交换

那么现在我们

对方程进行离散与求解

气相控制方程N—S方程

黏性扩散项采用6阶精度的

对称型紧致差分格式

对流项采用任玉新老师

提出的5阶精度的

紧致—WENO混合格式

通过时间积分

那么得到流场的物理信息

颗粒相通过插值

得到颗粒相的速度

以及温度信息

那么积分得到颗粒相的轨道

同时我们采用

点力双向耦合的方法

把颗粒对气相的作用

计入到气相的

气相控制方程的源相

实现双向耦合

然后我们对我们的研究方法

进行验证验证主要基于

我们的气相的一个数值

大涡模拟程序的一个验证

我们的计算域是

0.6米×0.2米的

一个矩形区域

采用的是Goebel在1990年

所做的一个经典的一个

超音速混合层实验

那个实验的入口参数如下

然后我们采用的

是一个均匀网格

网格节点数目经过

网格无关性验证后

选取的256×150

得到了一个瞬时涡量分布

显示出旋涡在

不稳定波动的放大下

旋涡在混合层中卷起

脱落并配对

这样符合真实

真实物理的一个

旋涡的一个演化过程

也显示出我们能够

我们的程序能够预报大涡结构

在混合层中的一个运动

时间统计显示出

混合层的厚度的

增长率与实验结果保持一致

同时时均速度

时均流向速度

流向速度脉动强度

以及雷诺切应力

均与实验结果吻合得非常好

法向脉动强度

由于我们计算的是

二维工况

缺乏展向能量的一个分配机制

再者加之实验结果的一个误差

因此与实验结果有一些差别

经过我们的实验

研究方法的一个验证我们可以

我们开始我们的颗粒相的

一个研究内容

首先是颗粒的弥散与湍流调制

之前的研究局限于

亚音速的流动

亚音速的两相流动

那超音速气流中

颗粒的弥散规律

以及倾向性分布的特性

是否存在以及它的特征

我们还未知晓

那么颗粒尺度以及数量

它对颗粒超音速混合层的

调制规律的作用是什么

我们现在还不太清楚

所以我们需要进行研究

因为超燃冲压发动机

燃烧室中的雾化燃料液滴

尺寸一般是1—30微米

那么这样我们选取了

不同尺寸的颗粒

观察它在混合层中的弥散特性

发现直径是7微米至10微米

之间的颗粒

它的弥散能力越强

因此我们选取了四种

不同尺度的颗粒

观察它在混合层中的

一个弥散规律

我们可以看到1微米和30微米

它的颗粒在混合层中

充满了一个旋涡结构

但是它们的机理是

非常有差别的

1微米的颗粒

因为对气体的跟随性特别好

因此它能跟随旋涡的运动

充满着旋涡

而30微米的颗粒

因为对气相的跟随性太差

所以它基本上保持着

入口的一个流动状态

因此它也是可以说是

存在于旋涡之中

那么3微米和10微米的颗粒

它存在倾向性分布特点

我们可以看到它分布在

旋涡外缘的一个薄层中

而没有充斥在

旋涡涡核之中

我们从右边的数密度统计

可以清楚地看出

3微米和10微米存在着

倾向性分布特点

它只是在旋涡边缘中

数密度非常高

我们分别在高速来流入口

以及低速来流入口

分别释放颗粒

颗粒在旋涡的夹带输运下

会运动到另外一侧

相对另外一侧

这样我们可以看到

随着颗粒尺度的增加

那么被夹带输运到相对的

流动区域的颗粒数量

是逐渐减少的

这样对我们工程中

是如何投放颗粒

在高速气流中投放颗粒

或者低速气流中投放颗粒

这样是有指导意义的

现在我们选取两个特定的颗粒

观察旋涡中的一个运动规律

那么在选取一个

特定尺度的旋涡

在旋涡的一个法向速度为正的

一个地方释放颗粒

让它做“上抛”运动

而在法向速度为负的

一个区域释放颗粒

让它做“下扫”运动

那么可以追踪颗粒轨道

得到它的“上抛”运动的

一个法向速度加速度变化

以及“下扫”加速法向

速度以及加速度变化

可以看到随着颗粒尺度增加

它的加速能力是越强的

因此对

与气体旋涡的掺混能力

也就越强

这样它的燃烧特性也就越好

基于以上对颗粒倾向性

弥散的一个研究结果

我们现在研究超音速混合层的

颗粒对超音速混合层的

一个调制作用

关键的参数一个是质载比

也就是单位体积内

颗粒质量与气体质量之比

因为混合层上下两股气流

密度不同

因此我们在上下两股气流中

分别加入不同数目的颗粒

选取质载比

三个质载比去研究

大质载比中质载比小质载比时

颗粒对湍流的一个调制状况

那么颗粒数目

从十万到上亿不等

那么可以看到

首先我们观察小尺度颗粒时

质载比对湍流调制的影响

我们发现小尺度颗粒会减缓

相比无颗粒的一个运动

它小尺度颗粒会抑制

混合层的发展

那么看到初始发展区

以及过渡区

随着颗粒尺度的增大

那么颗粒对混合层发展的

抑制作用越强

小尺度颗粒对速度二阶矩的

调制作用显示出

同样的结果

随着颗粒尺度

随着质载比的增加大

那么小尺度对颗粒的

调制作用越强

下面我们看一下中尺度颗粒时

不同质载比对湍流调制的影响

发现随着质载比的增加

反而混合层厚度的增长率

它的影响是越弱的

它对速度一阶矩

与二阶矩的影响

也是没有十分的明显

那么大尺度颗粒

显示同样的情况

随着质载比的增加

大尺度颗粒对混合层的影响

也就越弱

我们可以得到一个结论就是

随着对于超音速这个流动

它的特征时间尺度是很短的

那么颗粒尺度越小

两相间就是颗粒与气相之间的

能量传递也就越激烈

下面我们可以看一下

颗粒尺度对湍流调制的影响

可以清楚地看到

随着选取质载比是0.001

小尺度颗粒会明显影响

不管是混合层厚度

以及速度一阶矩二阶矩

它都是会明显影响

而相反大尺度颗粒

以及中尺度颗粒

对它的影响是很微弱的

之前做的是弥散

颗粒的弥散与湍流的调制

现在我们介绍一下

颗粒的一个响应机制

激波作用下

颗粒在混合层拟序涡结构的

弥散过程相对于无激波

有何变化

在拟序涡中扩散的颗粒

对激波的一个动量热量

响应机制是什么

我们可以发现

在超燃冲压发动机中

存在复杂的波系结构

那么喷出的燃料液滴

在复杂波系结构是如何的运动

激波对颗粒的动力学特性

以及对两相之间的热量

以及动量交换的影响是什么

我们需要研究

因此我们人工在混合层

在计算域上部

引入一个入射激波

入射激波与混合层作用

形成折射激波

在入口释放颗粒

颗粒会穿过激波

对这个激波前后的

变化进行响应

激波 斜激波角度选取34度

37度以及40度

那么激波的强度

也就相应的变化

我们可以发现

随着激波强度的增大

那么混合层向下

向下偏折的程度越厉害

那么混合层旋涡穿过激波后

那么涡量增长的强度也就越大

下面通过投放颗粒

我们可以看到不同尺度

颗粒在斜激波影响下的弥散

发现直径1微米和3微米的颗粒

斜激波并没有影响到

它相对于旋涡的一个分布位置

但是对于10微米的颗粒

斜激波会使它的弥散程度增大

追踪单颗粒条件下

单颗粒在激波

对激波的响应特性我们发现

当颗粒穿过斜激波后

它的颗粒周围的气体的温度

以及速度分别有上升与下降

那么小尺度就是1微米的颗粒

它会紧紧跟随这种变化

但是随着颗粒尺度增加

这种跟随性也就越来越差

我们对在Euler框架下

对颗粒的响应特性

进行了一个时均

统计结果表明

三个剖面

斜激波与旋涡的作用之前

作用之中以及作用之后

我们可以看到

斜激波与混合层的相互作用

使得混合层中

速度以及温度分布更加复杂

那么这样会使颗粒

对气体的响应性能越差

因此我们在超燃冲压发动机的

燃烧室的设计中需要考虑

这种复杂的速度分布

以及温度分布对这种颗粒的

一个燃料液滴的一个影响

最后对全文进行一下总结

那么不同尺度的颗粒的弥散

表明特定尺度颗粒

它的弥散能力最强

小尺度颗粒的倾向性分布表现为

大量颗粒存在于旋涡边缘的

低涡量区以及大变形薄层区

那么随着颗粒尺度的增加

颗粒的调制作用与质载比的

关联程度变弱

尺度越小的颗粒

它使混合层失稳位置的

影响越提前

湍流调制作用越强

那么最后是斜激波增强了

中尺度颗粒的弥散范围

但没有影响小尺度和大尺度

它的弥散

相对于动量平衡超音速气流中

两相的热量平衡

在斜激波的影响下

更难以实现

以上就是我的论文工作

这是我在学期间的

一个研究成果

共发表了论文8篇

其中发表了SCI论文2篇

这样就是我的答辩陈述

请各位老师提出宝贵意见

谢谢谢谢