任冠龍，孫海俊，徐義華，盧洪義，胡曉安

(南昌航空大學(xué) 飛行器工程學(xué)院 江西省微小航空發(fā)動機(jī)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330063)

0 引 言

粉末發(fā)動機(jī)是以金屬粉末為燃料、以粉末或氣體為氧化劑的一類新型發(fā)動機(jī)。由于燃料為顆粒形式，可實(shí)現(xiàn)燃料供給和流量的靈活調(diào)節(jié)，從而讓發(fā)動機(jī)具備多脈沖啟停和推力可調(diào)控功能，正逐漸獲得廣泛的關(guān)注和研究。通過將燃料與氧化劑進(jìn)行不同搭配，或者與傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)組合，目前國內(nèi)外已發(fā)展出了多種粉末發(fā)動機(jī)類型，如粉末火箭發(fā)動機(jī)、粉末燃料沖壓發(fā)動機(jī)、固體/粉末組合沖壓發(fā)動機(jī)、粉末燃料水沖壓發(fā)動機(jī)以及鎂/二氧化碳粉末發(fā)動機(jī)等。

在各類粉末發(fā)動機(jī)研制過程中，粉末燃料輸送是關(guān)鍵的共性技術(shù)。20世紀(jì)70年代，F(xiàn)rick等提出了利用氣體作為載體進(jìn)行粉末輸送的方案。在此基礎(chǔ)上，Meyer針對Al/Mg粉末-空氣火箭發(fā)動機(jī)流化床式供給系統(tǒng)的活塞裝置進(jìn)行了改進(jìn)，通過將流化進(jìn)氣道與活塞端面氣孔相連，以使流化氣均勻分布，同時防止粉末倒流。Foote等設(shè)計(jì)了一種容積式流化床(PDFB-Positive Displacement Fluidized Bed)粉末供給裝置，該裝置能使活塞運(yùn)動更加平穩(wěn)。Miller等進(jìn)一步對粉末供給裝置進(jìn)行了改進(jìn)，通過軟管將氣體輸送至顆粒床，能更好地調(diào)節(jié)粉末儲箱內(nèi)壓強(qiáng)。

國內(nèi)對粉末燃料輸送裝置也開展了大量研究，文獻(xiàn)[17-19]對粉末沖壓發(fā)動機(jī)的燃料供應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，獲得了電機(jī)驅(qū)動活塞方式下固氣比、粒徑、裝置結(jié)構(gòu)等參數(shù)對粉末輸送性能和發(fā)動機(jī)點(diǎn)火性能的影響。文獻(xiàn)[20-21]分別采用螺桿式和電機(jī)驅(qū)動活塞式粉末輸送裝置進(jìn)行Mg/CO火箭發(fā)動機(jī)點(diǎn)火試驗(yàn)。為克服電機(jī)驅(qū)動和螺桿方式功率轉(zhuǎn)調(diào)性能差、機(jī)械配合要求高等不足，文獻(xiàn)[22-24]設(shè)計(jì)了一種更為簡便高效的氣壓驅(qū)動活塞式粉末輸送裝置，并將該供給系統(tǒng)成功應(yīng)用于Al/AP粉末火箭發(fā)動機(jī)多脈沖點(diǎn)火和推力調(diào)節(jié)、鋁粉燃料沖壓發(fā)動機(jī)以及Mg/CO火箭發(fā)動機(jī)點(diǎn)火試驗(yàn)等。

在粉末燃料氣力輸送裝置中，粉末的流化輸送特性是影響粉末流量調(diào)控以及輸送裝置性能的關(guān)鍵。Sun等對處于高壓環(huán)境下粉末燃料的氣力啟動特性開展了研究，同時，又進(jìn)一步對在高壓環(huán)境下粉末流化特性開展了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算研究。結(jié)果表明，高壓條件下，粉末能夠形成穩(wěn)定的氣固分界面，從而為粉末穩(wěn)定輸送提供了參考?；魱|興等對粉末燃料的沉降速度和最小流化速度進(jìn)行了分析，得到了流化氣壓強(qiáng)、粒徑等對最小流化速度的影響規(guī)律。Liang等對處于高壓下密相氣力輸送流動特性進(jìn)行了研究，并分析了流態(tài)化數(shù)和粒度對出料穩(wěn)定性的影響。

可見，目前針對粉末儲箱中復(fù)雜的稠密氣固兩相流動特性的研究還相對較少，尤其是活塞作用下的氣體-顆粒-運(yùn)動壁面相互作用機(jī)制更為鮮見。由于粉末儲箱中稠密兩相流動狀態(tài)對顆粒流量調(diào)控有直接影響，所以很有必要對活塞作用下的氣固兩相流動特性開展研究。本文擬通過數(shù)值計(jì)算方法，對氣體-顆粒-運(yùn)動壁面相互作用特性開展研究，重點(diǎn)談?wù)摿骰瘹饬繉Ψ巯鋬?nèi)稠密氣固兩相流動行為的影響，為粉末燃料供粉系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 幾何模型與數(shù)值計(jì)算方法

1.1 粉末儲箱構(gòu)型

在稠密氣固兩相流計(jì)算中，流化床結(jié)構(gòu)常被簡化為二維/準(zhǔn)二維構(gòu)型以減少計(jì)算工作量，其計(jì)算結(jié)果表明二維/準(zhǔn)二維構(gòu)型亦能較好地體現(xiàn)三維流動狀態(tài)，因此，本文將圓筒型粉末儲箱結(jié)構(gòu)簡化為準(zhǔn)二維構(gòu)型。其中，粉末儲箱為水平放置，儲箱上下收斂段中心位置上各布置一氣體入口，活塞簡化為運(yùn)動壁面，其運(yùn)動方向?yàn)檩S正向，同時在儲箱出口設(shè)計(jì)一喉段，以控制最小出口截面面積。儲箱結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖1所示。

圖1 粉末儲箱構(gòu)型Fig.1 Powder storage tank configuration

1.2 計(jì)算模型和方法

在稠密氣固兩相流計(jì)算中，由于顆粒數(shù)量龐大，采用離散元模型等進(jìn)行計(jì)算會帶來巨大的計(jì)算量，難以適用于工程計(jì)算。而雙流體模型(Two Fluid Model, TFM)將顆粒相看作“擬流體”，將顆粒和流體均視為連續(xù)介質(zhì)，二者在空間連續(xù)分布且互相滲透，其兩相運(yùn)動均可用Navier-Stokes方程描述，故計(jì)算量遠(yuǎn)低于離散元模型，該方法已廣泛運(yùn)用于化工領(lǐng)域流化床等方面。故本文采用雙流體模型(TFM)來模擬粉末儲箱內(nèi)的兩相流體動力學(xué)，氣相湍流描述采用RNG-ε湍流模型，采用顆粒動力學(xué)模型(Kinetic Theory of Granular Flow, KTGF)用于對守恒方程中固相的封閉，壓力-速度耦合采用PC-SIMPLE(Phase Coupled SIMPLE)算法，動量、湍流和體積分?jǐn)?shù)方程中的對流項(xiàng)采用一階迎風(fēng)差分格式，氣固相間作用描述采用Gidaspow曳力模型。顆粒與壁面之間為無滑移邊界條件，采用瞬態(tài)模擬，時間步長設(shè)置為5×10s，每個時間步迭代20次。

計(jì)算采用空氣進(jìn)行流化，粉末燃料為鋁顆粒，氣體入口和兩相出口分別為質(zhì)量流量入口和壓力出口邊界條件，活塞運(yùn)動通過UDF實(shí)現(xiàn)。由于不同流化氣量下粉末儲箱中會有相應(yīng)的壓力上升，故氣體密度與壓力之間滿足氣體狀態(tài)方程，氣體粘性則采用薩瑟蘭定律描述。實(shí)際中，活塞運(yùn)動速度主要取決于活塞兩邊受力之差，當(dāng)驅(qū)動氣壓力和粉末量以及壁面摩擦阻力恒定時，流化氣流量的增大會導(dǎo)致流化腔的壓力升高，由此減小活塞兩邊受力差，活塞速度會減小，故活塞運(yùn)動速度與流化氣量之間存在耦合影響關(guān)系。在本文計(jì)算中，為研究單一變量，將不同工況下的活塞速度設(shè)置為固定值，僅通過空氣流量變化實(shí)現(xiàn)工況的改變，計(jì)算工況如表1所示。進(jìn)氣流量按照粉末理論流量的百分比給定，而粉末理論流量則可通過活塞速度反算獲得，進(jìn)氣流量與活塞速度存在對應(yīng)關(guān)系，其對粉末流化具有耦合影響關(guān)系:

表1 計(jì)算工況

(1)

顆粒屬性及操作條件如表2所示，表中操作壓力是指粉未儲箱內(nèi)的壓強(qiáng)環(huán)境。

表2 操作條件參數(shù)

2 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

使用ICEM軟件生成結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證采用的網(wǎng)格數(shù)分別為3萬、10萬、20萬及40萬。不同網(wǎng)格數(shù)時中心截面(=0.003 m)=0.090 m處顆粒軸向速度分布，如圖2所示。由圖可見，20萬網(wǎng)格和40萬網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果整體差異很小，在=0.055 m附近，10萬網(wǎng)格、20萬網(wǎng)格和40萬網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果差異較大。為減小計(jì)算量，本文采用網(wǎng)格數(shù)為20萬左右網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算。

圖2 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證Fig.2 Grid independence verification

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 計(jì)算模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所選計(jì)算模型的正確性，需要將圖1所示幾何構(gòu)型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析，如圖3所示。在粉末流化過程中，壓降率是研究顆粒特性的重要參數(shù)。壓降率是指儲箱啟動前的初始壓力與工作一段時間后的穩(wěn)定壓力之差，是供粉系統(tǒng)穩(wěn)定工作特性的表征參數(shù)之一。其計(jì)算公式為

圖3 計(jì)算模型驗(yàn)證Fig.3 Calculation model verification

(2)

式中：為初始總壓；為終止壓強(qiáng)； Δ為時間間隔。

由圖3可見，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值基本吻合，且數(shù)值計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)最大誤差在13%以內(nèi)，計(jì)算精度滿足要求，表明所選擇的計(jì)算模型和方法能夠較好地用于質(zhì)量流量對粉末流化特性的影響研究。

3.2 粉末流化過程

粉末儲箱向中心截面不同時刻粉末體積分?jǐn)?shù)分布，如圖4所示。由圖可見，在=0.005 s時刻，不同工況下的顆粒均呈現(xiàn)上下對稱分布。由于此時粉末儲箱處于剛啟動階段，隨著流化氣量的增大，儲箱收斂段處氣相作用范圍也在不斷增大，顆粒在流化氣和運(yùn)動壁面的共同作用下開始運(yùn)動，不斷從粉末儲箱輸出。在粉末儲箱出口，工況1幾乎沒有顆粒流出，工況2和工況3有少量顆粒流出，工況4和工況5則有較多顆粒流出。

在=0.030 s時刻，氣相作用面積較圖4有較大的增加，但整體而言仍基本處于上下對稱分布態(tài)勢。隨著氣體流量的增大，氣相作用范圍增加幅度越來越明顯，由工況1中軸向范圍[0.150 m，0.170 m]擴(kuò)大到工況5中軸向范圍[0.120 m，0.177 m]，儲箱收斂段內(nèi)的顆粒幾乎被掏空，該現(xiàn)象在工況4和工況5中最為明顯。這在于氣體流量的增加會相應(yīng)增大氣體動能，從而增強(qiáng)氣體對顆粒的卷吸與運(yùn)輸能力，進(jìn)而將更多的顆粒輸送出去。值得注意的是，此時在上下氣動力以及顆粒自身重力共同作用下，被卷吸起的顆粒主要分布在中心軸線上，即在中心軸線上形成了明顯的氣固兩相流道。

圖4 顆粒體積分?jǐn)?shù)分布云圖Fig.4 Particle volume fraction distribution

在=0.055 s時刻，顆粒上下分布，對稱分布現(xiàn)象消失，呈現(xiàn)出上部氣相范圍大于下部的態(tài)勢，但下部氣固界面相比上部要穩(wěn)定。這是由于儲箱內(nèi)顆粒整體受力主要有活塞向前推動力、自身重力以及氣相作用力，在儲箱收斂段上、下部分，其受力情況出現(xiàn)不統(tǒng)一，故而呈現(xiàn)出不同的粉末分布態(tài)勢。在收斂段下部區(qū)域，顆粒在活塞以及重力作用下趨向于沉降，而此時流化氣對顆粒的作用則是揚(yáng)起，當(dāng)顆粒所受活塞推動力與重力的合力，與顆粒所受氣相作用力相平衡時，就能形成相對穩(wěn)定的氣固分界型面； 而在收斂段上部區(qū)域，顆粒的主要受力很難實(shí)現(xiàn)平衡，且此時氣相作用力占主導(dǎo)地位，導(dǎo)致粉末分布相比下部更難形成穩(wěn)定型面。相比前時刻，該時刻錐形收斂段內(nèi)重新充滿了顆粒，但顆粒體積分?jǐn)?shù)相對較低，原因是顆粒在流化氣卷吸作用下不斷被輸送出粉末儲箱，而活塞則在不斷將顆粒沿軸向向前推進(jìn)，流化氣卷吸帶出的顆粒所留下的空隙由活塞推動的顆粒填補(bǔ)，二者形成協(xié)同作用。而當(dāng)活塞向前推送的粉末量小于被氣力輸出粉末量時，則會造成填補(bǔ)處顆粒體積分?jǐn)?shù)較低的現(xiàn)象。同時由圖可見，粉末低濃度區(qū)域面積隨氣體流量的增大而增大，主要在于所有工況下活塞運(yùn)動速度一致，即活塞向前推送的粉末量一致，而流化氣較小時，其卷吸輸出粉末量也相對較小，活塞推送粉末量與輸出粉末量容易形成動態(tài)平衡，故而會形成如工況1中所示氣固分界面較清晰的現(xiàn)象。

在=0.185 s時刻，各工況下粉末低濃度區(qū)域相比上一時刻有較大縮減，隨之是空腔(氣相區(qū))面積增大，且空腔主要分布在粉末儲箱錐形收斂段的上部。這是由于顆粒重力的影響主要施加在下部進(jìn)氣上，導(dǎo)致下部氣體流動空間受限，而上部氣體流動受阻相對要小得多，通過不斷卷吸輸出粉末，氣體在儲箱頂部做延伸運(yùn)動。工況4和工況5中流態(tài)要更為復(fù)雜，其低濃度粉末區(qū)域相對較大，主要還是由于大流化氣量下輸出的粉末量也相對較多，活塞推送粉末量難以足額填補(bǔ)。另一方面，較大的氣體流量擁有較大的動能，其對粉末的擾動也相對更大，故而流態(tài)更為復(fù)雜。

在=0.335 s時刻，隨著流化氣不斷將粉末卷吸輸出，而活塞向前推送的粉末量恒定，導(dǎo)致出現(xiàn)了粉末儲箱上方粉末被逐漸掏空的現(xiàn)象。同時隨著流化氣量的增大，粉末儲箱上方氣固分界面處的低濃度粉末區(qū)域也隨之增大，進(jìn)一步表明流化氣量越大，其卷吸輸出的粉末量越多。此時刻不同工況下，在=0.148 m附近，顆粒床出現(xiàn)突起現(xiàn)象，且隨著流化氣量增大越發(fā)明顯，這主要是由于向內(nèi)卷吸氣流形成的回流旋渦與上部進(jìn)氣相互沖擊，導(dǎo)致粉末被卷吸揚(yáng)起，而流化氣量越大，其相互作用動量越大，故效果越明顯。在=0.500 s時刻，不同工況下粉末儲箱上方粉末都基本被卷吸輸出，出現(xiàn)明顯的氣固上下分界現(xiàn)象，表明活塞推送粉末量不足以平衡各工況下粉末的輸出量。

在=0.950 s，=1.220 s，=1.875 s和=2.305 s時刻，流動狀態(tài)趨于穩(wěn)定，氣固分界型面呈水平分布，表明此時活塞向前推送粉末量與輸出粉末量維持平衡，由此可形成相對穩(wěn)定的粉末型面。但隨流化氣量增大，粉末型面處低濃度區(qū)域增大，同時整體粉末體積分?jǐn)?shù)隨之減小。由此表明雖然不同流化氣量都能形成相似的粉末型面，但較大的流化氣量由于卷吸輸出的粉末量多，表現(xiàn)在整體粉末體積分?jǐn)?shù)的下降上。

3.3 流化過程參數(shù)分析

3.3.1 顆粒平均體積分?jǐn)?shù)

顆粒平均體積分?jǐn)?shù)能夠較好地體現(xiàn)流化過程中顆粒的運(yùn)動范圍，圖5為中心截面(=0.003 m)=0.150 m處，不同流化時刻處顆粒平均體積分?jǐn)?shù)分布。從圖中能夠看出除0.030 s時刻處外，其余時段曲線分布趨勢相似。

圖5 不同時刻處中心截面X=0.150 m處顆粒平均體積分?jǐn)?shù)沿Y向分布Fig.5 Average volume fraction of particles at the central section X=0.150 m distributed along Y direction in different times

在流化時刻0.030 s處，工況1的顆粒平均體積分?jǐn)?shù)沿軸方向呈直線分布，其余工況則呈“W”型分布。表明在此時段內(nèi)，工況1氣體對粉末的影響最小。而工況2～5隨著流化氣量的增大，氣體對粉末的作用增強(qiáng)，導(dǎo)致平均體積分?jǐn)?shù)曲線波動明顯，呈現(xiàn)“W”型分布，即體積分?jǐn)?shù)曲線在兩端和中間(=0.03 m)呈現(xiàn)較大分布狀態(tài)。其原因在于此時段內(nèi)，氣體對粉末的作用還主要集中在收斂段內(nèi)，故曲線兩段粉末濃度分布相當(dāng)，而顆粒在自身重力以及上下流化氣的共同作用下，被卷吸起處于懸浮狀態(tài)，并在=0.03 m附近聚集，然后被輸出，故此處顆粒濃度增加。工況1由于流化氣量低，此時還未形成低濃度兩相區(qū)，故平均體積分?jǐn)?shù)曲線在向保持一致。

在流化時刻0.950 s、1.875 s以及2.900 s處，顆粒平均體積分?jǐn)?shù)曲線趨勢大同小異，在軸[0 m，0.03 m]范圍內(nèi)，五個工況的曲線下降范圍在[0.50，0.62]之間，且下降趨勢較為平緩，但工況5的曲線陡峭且始終處于最下方。在軸[0.03 m，0.05 m]范圍內(nèi)，五個工況的曲線下降范圍在[0.02，0.50]之間，但下降趨勢比在軸[0 m，0.03 m]范圍內(nèi)時更快，且在同一時刻，不同工況之間的顆粒平均體積分?jǐn)?shù)差距逐漸減小。在=0.035 m附近，五個工況存在一個交點(diǎn)，在軸[0.030 m，0.035 m]范圍內(nèi)，顆粒平均體積分?jǐn)?shù)曲線從上至下依次排序?yàn)楣r1、工況2、工況3、工況4、工況5，原因是運(yùn)動壁面勻速運(yùn)動下，流化氣量越大，其卷吸攜帶出的顆粒較多，粉末儲箱內(nèi)堆積的顆粒較少，導(dǎo)致顆粒床層高度降低，同時表明在上述時間段內(nèi)，不同工況都形成了相對穩(wěn)定的氣固分界型面。在工況5中，圖中顯示的曲線代表的是流化氣卷吸起的顆粒，相比于堆積的顆粒床顆粒平均體積分?jǐn)?shù)較小； 在軸[0.035 m，0.050 m]范圍內(nèi)，顆粒平均體積分?jǐn)?shù)曲線從上至下依次排序?yàn)楣r5、工況4、工況3、工況2、工況1 ，原因是該范圍處于粉末儲箱的上方，此處沒有顆粒堆積，圖中顯示的曲線代表的是流化氣卷吸起的顆粒，流化氣量越大，卷吸起的顆粒就越多。在軸[0.05 m，0.06 m]范圍內(nèi)，五個工況的曲線下降范圍在(0，0.02)之間，但工況5的曲線處于最上方，這在于工況5流化氣量最大，其充足的動能可將顆粒更高地?fù)P起。

3.3.2 粉末流量特性

在整個流化過程中，各個工況瞬時粉末質(zhì)量流量與理論流量對比，如圖6所示。為更直觀獲得流化過程穩(wěn)定后的質(zhì)量流量與理論質(zhì)量流量的關(guān)系，對1.2～2.9 s時段內(nèi)瞬態(tài)流量進(jìn)行平均化處理。由圖可見，在啟動階段(0～1.2 s)，不同工況下均出現(xiàn)了較大的流量波動，表明此時段內(nèi)有大量的粉末被輸送噴出。而之后流量曲線仍有波動，但整體相對平穩(wěn)，表明此時輸送處于動態(tài)平衡狀態(tài)。在0～1.2 s時段，隨流化氣量增加，流量峰值隨之增加，同時伴隨更為明顯的流量振蕩，表明氣量越大，兩相間相互作用更為劇烈。值得注意的是，不同工況在1 s左右都有個流量小峰值，這個峰值的產(chǎn)生在于此前在=0.15 m處有顆粒被卷吸揚(yáng)起現(xiàn)象，并最終輸出造成又一流量峰。在輸送穩(wěn)定階段(1.2～2.9 s)，流量曲線仍存在振蕩，但振幅降低明顯，整體區(qū)域平穩(wěn)，工況1～5平均流量分別為0.015 5 kg/s, 0.015 4 kg/s, 0.016 6 kg/s, 0.016 8 kg/s, 0.017 7 kg/s，基本呈現(xiàn)出隨著流化氣量增加而增加的趨勢。各工況下平均流量與理論流量間存在較大差距，主要原因是在0～1.2 s時段，大量顆粒輸送噴出，導(dǎo)致儲箱內(nèi)粉層高度下降一半，由此在穩(wěn)定階段輸送出的流量較理論流量要小得多。

圖6 不同工況質(zhì)量流量分布Fig.6 Mass flow rate distribution under different cases

粉末流量隨時間振蕩現(xiàn)象是實(shí)際中就存在的，在先前的開窗拍攝實(shí)驗(yàn)中，不同流化壓強(qiáng)條件下，粉末型面在啟動階段會有波動，由此造成出口流量波動。隨著流化壓強(qiáng)的增大，其粉末波動幅度較小，可形成相對穩(wěn)定的氣固分界型面，即粉末波動幅值較小。另一方面，之前對粉末流量的測量實(shí)驗(yàn)研究表明，不同的測量方法下，粉末流量也會隨時間振蕩。數(shù)值模擬的流化過程以及粉末流量特性與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似，表明粉末流量振蕩是實(shí)際存在的。通過分析粉末流量特性可知，進(jìn)氣流化氣量對出口流量影響較大，由于較小流化氣量能夠降低曲線波動程度，所以可通過降低進(jìn)氣流量的方式，來改善粉末的輸出穩(wěn)定性，但在實(shí)際應(yīng)用中需要根據(jù)設(shè)計(jì)的粉末流量來確定流化氣量，即不同的粉末流量所對應(yīng)的最佳流化氣量不相同，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)建立粉末流量與流化氣量之間的最佳匹配關(guān)系，由此確定流化氣量的選擇。

3.3.3 粉末儲箱內(nèi)壓強(qiáng)和運(yùn)動壁面受力特性

不同工況粉末儲箱內(nèi)瞬時壓強(qiáng)和運(yùn)動壁面瞬時受力分布，如圖7所示。由圖可見，各個工況粉末儲箱內(nèi)壓強(qiáng)曲線和運(yùn)動壁面受力曲線分布趨勢大同小異，整體分布趨勢類似于流量分布曲線，即各工況下在啟動階段呈現(xiàn)高壓分布，之后壓力降低，雖仍有振蕩，但整體而言較為平穩(wěn)。

圖7 不同工況粉末儲箱內(nèi)壓強(qiáng)和運(yùn)動壁面受力分布Fig.7 Distribution of pressure in the powder storage tank and force on moving wall under different cases

在粉末儲箱處于啟動階段，曲線出現(xiàn)峰值，且曲線出現(xiàn)峰值的時間隨著流化氣量的增大而提前，峰值隨著流化氣量的增大而增大，符合壓力器件啟動效應(yīng)。在時間段0.05～0.8 s內(nèi)，壓力上升并在此時間段一直處于較高位，表明此時段一部分氣體用于將粉末輸出，另一部分則在儲箱內(nèi)與粉末相互作用。之后時間段，壓力曲線降低并伴隨小幅平穩(wěn)振蕩，表明此時段流化趨于穩(wěn)定，流化進(jìn)氣與出氣流量維持動態(tài)平衡。另一方面，隨流化進(jìn)氣量增大，儲箱內(nèi)壓力隨之增大。

運(yùn)動壁面的受力是粉末與氣體相互作用的結(jié)果。運(yùn)動壁面受力趨勢與壓強(qiáng)分布趨勢一致，雖然運(yùn)動壁面受力來源于粉末阻力和氣體壓力，但相對而言，壓力對運(yùn)動壁面受力的影響要遠(yuǎn)大于粉末，尤其是在平穩(wěn)段，在粉末儲箱上部，運(yùn)動壁面受氣壓作用，在粉末儲箱下部，運(yùn)動壁面受顆粒與氣壓共同作用，整體而言氣壓影響占據(jù)絕對優(yōu)勢。可見，在整個流化過程中，運(yùn)動壁面(活塞)所受瞬時平均壓力變化劇烈，這在實(shí)際應(yīng)用中會引起活塞綜合受力不均，容易引起活塞速度的突變，同時由于活塞主要受氣壓影響，故要在工程中維持活塞速度穩(wěn)定，前提是要保證整個流化過程中流化壓力的穩(wěn)定，這也是活塞驅(qū)動式粉末供給系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。

4 結(jié) 論

本文針對氣壓驅(qū)動活塞式粉末燃料供給系統(tǒng)，建立了考慮運(yùn)動壁面作用下的稠密氣固兩相計(jì)算模型，并詳細(xì)分析了流化氣量對粉末流化過程和輸送特性的影響，主要獲得以下結(jié)論：

(1) 粉末流化狀態(tài)受氣體、活塞運(yùn)動以及顆粒自重等因素共同影響，當(dāng)活塞向前推送粉量與粉末被卷吸輸出量呈動態(tài)平衡時，不同工況下均能形成相對穩(wěn)定的顆粒床層型面，但顆粒床層濃度隨流化氣量的增大而變小。

(2) 在啟動階段，氣體對粉末有較大的卷吸輸出量，其輸出量遠(yuǎn)大于粉末理論流量且隨流化氣量的增大而增大。在穩(wěn)定輸送階段，不同流化氣量下的粉末平均流量都小于粉末理論流量，粉末平均流量隨流化氣量增大而增大。

(3) 不同工況在啟動階段時的壓力都明顯高于輸送穩(wěn)定階段，較大的流化氣量會形成相對較高的儲箱壓力； 活塞瞬時受力與瞬時壓力分布趨勢一致，氣壓是對活塞受力影響的主要因素，在工程應(yīng)用中要維持相對穩(wěn)定的活塞速度，首要前提是保證儲箱氣壓相對穩(wěn)定。