微喷射气粒混合理论模型与数值模拟研究

微喷射气粒混合问题是一个多尺度、可压缩、多相、多学科交叉的复杂物理问题，具有迫切的国防应用背景。本项目采用理论建模与直接数值模拟相结合的方法分析归纳高速、细观尺度微喷颗粒物质与气体相互作用并发生混合的物理过程和规律。主要研究基于微喷实验数据确定颗粒初始状态的模型和方法，及微喷颗粒相对气体做超声速运动的作用力模型，并应用气体-颗粒两相流结合流固耦合方法对喷射样品、颗粒及气体间的相互作用和流场演化进行数值模拟，分析颗粒喷射量、喷射速度、尺寸分布、样品自由面运动规律等因素对混合区及气体流场的影响。本项目的研究将有助于认识微喷颗粒及气体流场的发展演化，其数值模拟结果能为相关过程的后续发展提供直观图像和数值参考，对指导和设计相关实验，探索新原理武器等有重要应用价值，也是气体-颗粒两相流和冲击动力学研究的前沿课题，具有重要科学意义。

本文从理论建模、计算方法和数值模拟三个方面对微喷颗粒与气体相互作用问题进行了研究。理论建模方面，首先基于平面微喷实验给出的速度-喷射量、颗粒尺度-数目数据结合蒙特卡洛随机思想确定出初始颗粒的大小、运动速度以及空间分布；通过分析运动颗粒受气体的作用力大小主要考虑了定场阻力和附加质量力，并采用模型力方法计算受力。计算方法方面采用颗粒轨道模型的气体颗粒两相流方法描述气粒间的相互作用，其中气体部分采用考虑外力的PPM方法求解，颗粒采用牛顿第二定律一一跟踪，运动样品对气体和颗粒的影响采用流固耦合方法处理；此外为分析高速微尺度颗粒受力还初步探索了基于气体动理学的间断伽辽金算法；完成了相关程序开发，并对相关算法正确性进行了验证。数值模拟方面，基于本项目所开发的气体颗粒两相流程序对平面、柱面和球面等微喷问题开展了数值模拟研究，给出了颗粒群、气体以及运动样品的演化图像，特别给出颗粒群宽度随时间的变化曲线，发现颗粒在进入气体流场的初始阶段做非线性减速运动，但当颗粒穿过激波进入波后运动期间，颗粒被波后气体加速，颗粒群宽度呈现缓慢增加趋势，对于平面情形趋于稳定的颗粒群宽度小于2mm，这与实验观测结果一致；此外还对不同的初始气体压力进行了数值模拟，结果表明，初始气体压力越大，颗粒混合区宽度越小，但整体变化规律没有发生显著改变。本文的工作加深了对微喷颗粒与气体的混合问题的认识，给出了颗粒与气体混合过程的直观图像，对进一步优化微喷气粒混合相关实验和装备具有一定指导意义。