不规则砂尘的气动力特性研究

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1、中图分类号：V211.3论文编号：102870218-S080学科分类号：082502硕士学位论文不规则砂尘的气动力特性研究研究生姓名王晨曦学科、专业航空宇航推进理论与工程研究方向内流空气动力学指导教师谭慧俊教授南京航空航天大学研究生院能源与动力学院二О一八年一月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofEnergyandPowerEngineeringStudyontheAerodynamicF

2、orceCharacteristicsofIrregularSandsAThesisinAerospacePropulsionTheoryandEngineeringbyWangChen-xiAdvisedbyProf.TanHui-junSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringJanuary,2018承诺书本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究

3、成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：日期：南京航空航天大学硕士学位论文摘要惯性式粒子分离器作为直升机在砂尘环境下的进气防护装置，对延长涡轴发动机的使用寿命至关重要。在以往的粒子分离器设计过程中，往

4、往将砂尘颗粒简化为理想圆球，或者使用经验公式求解砂尘的阻力系数，而这些经验公式存在着很大误差。为了能够更为准确得预测砂尘轨迹，本文着眼于自然界中有着不规则形貌的砂尘颗粒，研究砂尘颗粒在不同流场条件下的受力。首先，使用激光衍射法测定了美军标测试砂AC砂与C砂的粒径分布，结合粒子分离器流道内的速度分布，估算出了粒子分离器内砂尘运动的雷诺数范围。根据粒径分布曲线，AC砂的主要粒径分布范围为30~100um，C砂粒径分布范围为140~400um。使用显微图像法分析了砂尘颗粒的投影截面，使用形状因子圆度与

5、长宽比描述砂尘的形貌特征。结果表明，砂尘颗粒的形状明显区别于理想圆球，砂尘多为棱角明显的非规则颗粒。根据观察到的投影形状，结合高度方向上的假设，本文给出了几种简化的砂尘模型。其次，对上文给出的几种简化几何模型的绕流流场进行数值仿真研究，研究了它们在不同雷诺数、不同攻角下的绕流流场，并计算了相应的阻力系数。不同形状的颗粒阻力系数随雷诺数变化的整体趋势一致，即随着雷诺数的增加，阻力系数逐渐降低。高雷诺数下，攻角对于阻力系数的影响更为明显。若所有颗粒均以最大迎风面积正对来流，那么阻力系数随着颗粒球形度

6、的减小而增大，意味着颗粒的形状越不规则，其阻力系数越大。最后，采用均质的普通方块和非均质的拼接方块进行了沉降实验研究。实验结果表明，普通方块随着雷诺数的增加，会依次经历稳定、摇晃和翻滚三种沉降状态。在低雷诺数下，均质方块以随机的角度稳定沉降，因此无法通过实验获得固定角度下的阻力系数。而拼接方块由于偏心力矩的作用，在低雷诺数下以固定角度稳定沉降。此外，拼接方块不稳定运动的幅度大幅减小，其在高雷诺数范围内的沉降阻力系数也显著低于普通方块。对于以固定角度稳定沉降的拼接方块，其阻力系数与本文仿真得到的数

7、据相吻合，表明拼接颗粒可以用于沉降实验中测定固定角度下的阻力系数。关键词：不规则砂尘、形状因子、阻力系数、沉降实验、非均质I不规则砂尘的气动力特性研究II南京航空航天大学硕士学位论文AbstractAsatypeofair-cleaningdevice,theinertialparticleseparatorplaysanindispensableroleinprotectingaturbo-shaftenginefromdamagesanderosion.Previously,particle

8、sareoftensimplifiedasperfectspheresorsimplydealtwiththroughemployingempiricalformulasintheprocessofIPSdesign,whichunfortunatelycausesunacceptabledeviationstotrajectoryprediction.Toprovideamoreprecisedescriptionoftheparticlemovementundertheinfluenceof