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中国工程热物理学会 工程热力学与能源利用 学术会议论文 编号：061155 气固两相介质音速研究 赵良举李斌高虹李德胜袁悦祥曾丹苓 (重庆大学动力工程学院，重庆，400044) (Tel：023 Email：zhaolj@cqu．edu．cn) 摘要；本文分析计算了不同气体与固体粉末两相介质的音速。分析结果与实验结果比较得到了较好的 吻合，验证了普朗特的理论分析．结合汽液两相音速分析表明，分析两相介质音速时可以不考虑相变 的影响。以两相音速为基础的激波分析结果与理想气体激波结果的趋势吻合，较基于单相音速的激波 更合理，说明了两相介质音速结果的正确性． 关键词：气固两相流，音速，激波，研究 1引言 一气固两相流动在工程上十分普遍，如炉膛内煤粉燃烧，沙尘暴，气力输送等，对于 高速流动，往往会达到超音速流动，此时，音速和激波便显得十分重要。 超音速冷喷涂(CSC)，又称为冷空气动力学喷涂(CGDS)，是一种新型的喷涂表面 沉积的方法¨吲。在超音速冷喷涂中，喷涂粉末与气体混合后．在缩放流道内形成超音 速流动，与基板碰撞后喷涂粒子在基板上沉积。由于两相介质是超音速流动，且在基板 附近会有激波产生，因而两相介质音速对分析沉积过程十分重要。 本文将从定熵音速出发，分析计算不同气体与固体粉末两相介质的音速。与实验结 果的比较，计算结果与实验得到了较好的吻合。结合汽液两相音速分析表明，分析两相介质音 速时可以不考虑相变的影响。以两相音速为基础的激波分析结果与理想气体激波结果的趋势 吻合，说明了两相介质音速结果的正确性。 2气固两相流音速研究 关于气固两相流音速的研究较少，．普朗特订1定性分析认为，对于空气中的雪或沙， 由于具有空气的压缩作用，密度却比空气大得多，因而音速将远小于单相音速。本文假 定气固两相介质处于平衡状态，从定熵音速公式出发，推导并计算气固两相流的音速。 由Laplace公式， q= 其中，p=llv，有 口=矧一心 1资助 国家自然科学基金青年基金No．5040601 848 代入V=以4-(1一X)Vp，有 口=’J(一盟掣)_I，2 (3) 州k(削刳+铡一圯 气固间无相变，苏／ap=o。视气相为理想气体，固相不可压缩，上式可简化为， 斗一饼]．I，2 ．口：v怛 (6 1f以 即， 、口=k+(1．咖，悟 以上各式中，口为音速，m／s；，为比容，m憾：h为焓，kJ／kg；P为压力，Pa：p为密 度，kg／m’；z为气相质量与总质量之比；下标g，p分别代表气相与固相，七为气相比 热比。 3空气与水的音速 图l不同压力下空气和水的音速 图2空气和水音速与实验值的比较 不考虑水的压缩性，可把空气与水视为气固两相介质。空气与水的音速的研究相对 较多，为了验证以上音速公式．首先计算空气与水的音速，并与实验结果进行比较。 849 如图l所示为不同压力时的空气与水的两相音速计算值，其结果与汽液两相介质音 速的规律一致。在体积含气率较大和较小时，两相音速分别趋于单相空气和单相水的音 速。而在体积含气率的较大范围内，两相介质的音速值远小于任何组分的单相音速。在 验系统压力为1．12bar，气泡直径为4mm，从图中可知二者是相当吻合的。 4气固两相介质音速 4．1不同气体与固体粉末两相介质的音速 4．1．1空气与沙的音速 O