高速气流中的气体-粒子动力学：新颖模拟与复杂相互作用

科学讲座6（2023）100213高速气流中的气体-粒子动力学：从18世纪大炮射击到粒子分辨模拟的Jesse Capecelatroa，b，a密歇根大学机械工程系，美国密歇根州安娜堡，邮编48109-2125b密歇根大学航空航天工程系，美国密歇根州安娜堡，邮编48109-2125自动清洁装置关键词：可压缩空气流，含颗粒空气流，阻力，弹道粒子分辨模拟冲击波A B标准高速（可压缩）湍流与固体颗粒之间的相互作用涉及复杂的湍流，冲击波，和分散相。在许多环境和工程应用中可以找到实例，从火山爆发到航天器着陆时喷射引起的陨石坑在这次演讲中，我将回顾在这种极端条件下与气体-颗粒湍流相关的流体动力学 现有的马赫数相关的阻力定律的概述将被提出，起源于18世纪的加农炮，和新的见解，从粒子分辨数值模拟。新的数值方法，独特的设计，以解决这一类的湍流将被提出，除了高分辨率的模拟，使我们能够探测湍流和马赫数的影响，在亚粒子尺度和规模，包括数百万个粒子。本文的视频可以在https://doi.org/10.1016/j.sctalk.2023.100213。·通讯作者：密歇根大学机械工程系，美国，密歇根州，安娜堡，MI 48109-2125。电子邮件地址：jcaps@umich.edu。h tt p：//dx. 多岛或g/10。1016/j。我的天啊。20 23。1 0 0 21 3接收于2022年11月28日;接受于2023年4月10日在线发布x XXX27 7 2 - 56 93/©20 2 3TheAuth or. 由ElsevierLtd提供 这是CCBY许可证下的一项操作（http：//creaitivecommons.com/）。或g/li ce ns s/by/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表科学讲座杂志首页：www.elsevier.es/sctalkJ. Capecelatro科学讲座6（2023）1002132图和表图1.一、在Capecelatro（2022）的航天器动力下降期间存在的液体粒子动力学示意图[1]。从喷管中喷出的尾焰是超音速的，产生马赫盘、板激波和高速剪切层。在板块冲击波之下，亚音速的湍流伴随着强烈的湍流混合，侵蚀着表面，形成了一个陨石坑。射流被偏转并加速到超音速矛状，导致强烈的粘性侵蚀。体积分数αp跨越紧密堆积到稀释。这种湍流的数值模拟必须能够处理从稀颗粒到浓颗粒的亚音速和超音速湍流湍流。图二、Capecelatro（2022）[1]中的超音速湍流经过球形粒子（粒子从左向右移动）的示意图，突出了可压缩气体-粒子湍流的多尺度性质。存在各种长度尺度（以近似递增的幅度）：激波厚度δs;边界层厚度δb; Kolmogo-rov长度尺度η;激波间隔距离L s;颗粒直径dp;和尾流长度L w。J. Capecelatro科学讲座6（2023）1002133图3.第三章。准定常阻力与Ma= 0时的雷诺数阻力系数曲线改编自维基百科[2]。对于不可压缩湍流，阻力系数随雷诺数的增加而减小，在雷诺数接近10 5时突然下降，表示出现所谓的阻力危机。图四、准定常阻力与 Re = 1000时的马赫数。蓝线显示了Singh等人的相关性。[3]的文件。当马赫数足够高时，由于激波的出现，阻力系数明显偏离不可压缩激波（有关本图例中颜色的解释，请参阅本文的网络版本。图五、1742年，英国数学家和军事工程师本杰明·罗宾斯发明了弹道摆来测量子弹和炮弹的速度。对于在大约1600英尺/s（Ma=1.5），罗宾斯预测的阻力是2-3倍，比牛顿预测的该设备被限制为每次射击仅测量一次速度，由于射击之间的变化而导致精度有限（a）罗宾斯发明的图纸，来自于1742年首次出版的《新射击原理》[4]。（b）用于测量炮火速度的弹道摆（来源：不明）。J. Capecelatro科学讲座6（2023）1002134图六、 约翰·考奇·亚当斯和弗朗西斯·巴什福斯的成就时间轴。1843年，亚当斯和巴什福斯是剑桥大学数学系的前两名学生，亚当斯是高级牧马人，巴什福斯是第二牧马人。三年后，亚当斯发现了海王星。Bashforth接着发明了弹道计时器[5]，它允许每次射击最多10次速度测量，在很大的速度范围内提供可靠的加速度（以及阻力）估计1883年，两位学者合作发表了一篇关于毛细作用的论文本文的一个成果是发展的亚当斯-Bashforth方法，一个流行的类的多步法，今天常用的数值时间积分。图7.第一次会议。[6]中不同雷诺数和马赫数下球体的阻力。Miller Bailey [6]收集了球体阻力的可用数据，发现中到高马赫数的最准确数据来自Bashforth的实验，这些数据在当时并不比现代数据更&这是用来构建一个综合地图的CD作为一个函数的Re p为0.1 ≤ Ma p≤ 3。J. Capecelatro科学讲座6（2023）1002135图8.第八条。使用Loth等人提出的最新模型，球形颗粒上的阻力系数显示稀疏（红色阴影）和压缩（黄色阴影）占主导地位的区域。[7]的文件。多粒子系统中的阻力系数（即，在有限体积分数下）将显示为绿色。到目前为止，在有限体积分数和马赫数下的阻力相关性基本上是不存在的。从[1]复制（有关本图例中颜色的解释，请参阅本文的网络版本图9.第九条。来自[8]的马赫数为1.22的激波对球体施加的非定常阻力系数。粒子分辨模拟，网格间距Δ=D/40（线）和Sun等人的实验。[9]（符号）。J. Capecelatro科学讲座6（2023）1002136图10个。来自[8]的粒子分辨模拟的瞬时快照，显示了速度大小（顶部）和压力（底部）的二维切片，其中Ma = 0.1（左），Ma = 0.5（中）和Ma = 1（右）。粒子显示为黑色。图十一岁 通过粒子分辨模拟获得的斯托克斯阻力归一化的平均阻力[8]。（a）马赫数为0.1时的模拟结果（黑色方块）与现有的不可压缩相关性（灰色）的比较，这些相关性来自包括Tenneti等人的文献。[10]（三角形）; Beetstra et al.[11]（圆圈）; Tang et al.[12][13][14][15][16][17][18][19][13]（十字架）。（b）作为马赫数函数的平均阻力E x单粒子相关性以灰色显示，包括Henderson [14]（虚线）; Loth et al.[7]（实线）;和辛格等人。[3]（虚线）。采用平均体积分数0.02（*）、0.05（正方形）、0.1（三角形）、0.2（圆形）、0.1（三角形）、0.2（三角形）和0.2（三角形）进行颗粒分辨模拟0.3 （带十字的圆圈）; 0.4（菱形）。J. Capecelatro科学讲座6（2023）1002137图12个。 来自[8]的粒子分辨模拟。 Re = 300，Ma = 1.0，0. 1s hh的离散速度，离散速度为−5<ω·u<0（black/white），z-cp on t的离散速度为−10<ωz<10（r e d/blue）的粒子均匀集合的三维模拟的二维切片。使气流发生碰撞，产生一种鼻端效应，使气体加速到超音速，从而形成小激波。（对于本图中颜色的解释，图例，请读者参阅本文的网络版图13岁来自[8]的不同自由流马赫数的湍流马赫数作为体积分数的函数。随着体积分数的增加，压缩性的水平J. Capecelatro科学讲座6（2023）1002138图十四岁由Khallou Fiand Capecelatro [ 8 ]提出的新的体积分数和马赫数相关阻力关联式。在模拟数据（正方形）和相关性（线）之间观察到总体良好的一致性注意，在体积分数和马赫数的高值处，模拟数据缺失这代表了模拟具有挑战性的湍流状态，并且需要更多的数据来验证这些条件下的模型图十五岁激波-粒子相互作用过程中体积分数为0.19的伪湍流动能的预算。Sridhar 灰色着色区域亮显粒子幕的位置在冲击波通过粒子幕后不久进行评价许多项可以忽略不计。 阻力的产生由粘性耗散来平衡。颗粒幕边缘附近的平均剪切产生和压力-应变相关非零J. Capecelatro科学讲座6（2023）1002139图十六岁与粒子分辨模拟结果相比，在欧拉-拉格朗日模拟（线）中从一个方程模型获得的伪湍流动能。图改编自[15]。图十七岁不完全膨胀射流冲击44 M颗粒床的欧拉-拉格朗日模拟。左：喷嘴压力比（NPR）为2.2，显示马赫菱形的形成和U形弹坑的产生右：NPR为3.2，导致了一个有限的马赫盘和一个W形的陨石坑。从[16]。J. Capecelatro科学讲座6（2023）10021310图十八岁图2中欧拉-拉格朗日模拟的局部瞬时压力。十七岁左图中射流轴线处的高压侵蚀了表面，形成了一个U形的陨石坑。在较高的NPR下，马赫盘的形成导致射流轴处的低压，从而导致W形弹坑[16]。图十九岁 Eulerian-Lagrangian模拟膨胀不足的射流撞击颗粒床，突出显示表面（I），火山口（II）和喷出物（III）。（a）颗粒表面的可视化（棕色显示体积分数为0.6时的等值线）和局部气相马赫数（红色/黄色）。（b）同一时刻颗粒马赫数和体积分数的联合PDF（对数尺度）改编自Shallcross（2021）[17]。（有关本图例中颜色的解释，请参阅本文的网络版本。数据可用性数据将根据要求提供致谢资金：这项工作得到了美国国家航空航天局（NASA）的资助，资助号为80NSSC20K1868和80NSSC20K0295。 作者还想感谢他以前的学生和博士后谁贡献了这项工作：格雷格Shallcross，迈赫迪Khallou菲，Archana Sridhar，和满足帕特尔。申报利益作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作。引用[1] J. 张文，等，航天器着陆过程中高速气固两相流的数值模拟，北京：科学出版社，2002。[2]tt ps：//en. 我的天啊。或g/wik i/D rag_cr isis #：~：te xt=%20 a的%20 dra g%20c e fint%20，%20 the %20 sphere的%20 surface %20。[3]N.辛格，M。克罗尔斯角Li，E. Ching，M.作者：J. J. Schwartzentruber，球形颗粒上湍流的一般阻力系数，AIAA J. 60（2）（2022）587-59 7.[4]R.A.霍华德，新的射击原则：火药力的测定和空气对快速和慢速运动的阻力差异的调查，皇家学会，174 2。[5] F. Bashforth，报告的E X periments作出的Bashforth计时码表，以确定阻力的空气运动的弹丸：1865年至1870年，W。《小丑&之子》，1870年。[6]丹吉Miller，A.B. Bailey，在雷诺数接近107时，马赫数从0.3到2.0时的球体阻力，《流体力学杂志》93（3）（1979）449-464。[7] E. Loth，J.Tyler Daspit，M.Jeong，T.Nagata，T.Nonomura，超音速和高超音速球的阻力系数，AIAA J. 59（8）（2021）3261-3274。[8] M. Khallou fi，J.Capecelatro，可压缩流通过随机球体阵列的阻力，2022 arXiv预印本arXiv：2208.09965。J. Capecelatro科学讲座6（2023）10021311[9] M. 孙 ， T. 斋 藤 角 Takayama ， H. Tanno ， Unsteady drag on a sphere by shockwaveloading，Shock Waves 14（1）（2005）3- 9.[10]S.滕内蒂河加格，S。Subramaniam，单分散气-固系统的阻力定律，使用粒子分辨直接数值模拟的流动通过固定的球体组件，国际多相流杂志37（9）（2011）1072-1092。[11] R. Beetstra，文学硕士van der Hoef，J. A. M. Kuipers，中间雷诺数的阻力流过单分散和双分散球体阵列，AICHE J.53（2）（2007）489-50 1.[12] Y. Tang，E.A.J.F.彼得斯，J.A.M.Kuipers，S.H.L.Kriebitzsch，文学硕士 van derHoef ， Anewdragcorrelationfromfullyresolvedsimulationsofflowspastmonodisperse static arraysof spheres，AICHE J. 61（2）（2015）688-698.[13] Y. 林志良<英>香港实业家。瓦格纳，S.J.Beresh，S.P.Kearney，S.Balachandar，平面的相互作用冲击波与密集粒子幕：模拟与实验，物理。 流体24（11）（2012），11330 1.[14] 嘉廉Henderson，Drag coefficientsof spheres in continuum and rare fiedspheres，AIAA J. 14（6）（1976）707-70 8.[15] G.S. Shallcross，R.O.FoX，J.Capecelatro，可压缩流体的体积滤波描述载颗粒的湍流，国际多相流杂志122（2020）103138.[16]M. Patel，J. Capecelatro，可压缩气体-颗粒湍流的高阶低耗散欧拉-拉格朗日方法，第11届国际计算流体动力学会议2022，pp. 1-14号。[17]G. Shallcross，建模粒子负载可压缩流与羽流表面相互作用的应用，博士论文，密歇根大学，2021年。进一步阅读[1] M.范戴克，M。范·戴克，《流体运动专辑》，第176卷，抛物线出版社，斯坦福大学，198 2。[2] T. Nagata，A.Noguchi，T.野野村，K.大谷角Asai，E X通过纹影可视化的自由光试验对雷诺数为103 - 105的球体上的跨音速和超音速湍流进行实验研究，冲击波30（2）（2020）139-151。[3] H. Tanno，K.伊托，T.齐藤A.阿贝，K.高山，激波与垂直激波管中悬浮球体的相互作用，激波13（3）（2003）191-200。[4] M.帕尔玛A. Haselbacher，S. Balachandar，冲击-粒子相互作用的非定常力建模，冲击波19（4）（2009）317-329。[5] F. Bashforth，J.亚当斯，《通过比较液滴的理论和测量形式来检验毛细作用理论的尝试》，大学出版社，1883年。JesseCapecelatro是密歇根大学机械工程和航空航天工程系的副教授。在2016年加入密歇根州之前，他是伊利诺伊大学香槟分校的博士后，在此之前，他获得了博士学位。2014年从康奈尔大学毕业他的研究主要是在流体力学领域，重点是粒子负载的湍流，湍流和高性能计算。应用包括可再生能源，推进，疾病传播和太空探索。