模拟爆炸性颗粒分散系统中的外部颗粒喷射形成过程

《Journal of Fluid Mechanics》：Modelling external particle jet formation in explosive granular dispersal systems

研究密堆积颗粒床在径向发散气流作用下外部粒子喷流的演化机制，发现瑞利-泰勒不稳定性（RTI）、里奇迈尔-梅什科沃不稳定性（RMI）和大颗粒惯性共同作用形成喷流。其顶部呈刺状结构，底部呈气泡状结构，颗粒受力差异导致顶部保持恒定速度而底部加速，提出与多组实验数据吻合的喷流长度增量模型。

　　

摘要

我们研究了在受到径向扩散气流作用的密集颗粒床中外部颗粒射流的演化过程。研究考虑了随机扰动和单模扰动两种情况。通过分析颗粒动力学，我们发现瑞利-泰勒不稳定性（RTI）、里克特迈尔-梅什科夫不稳定性（RMI）以及大颗粒惯性都对外部射流的形成起到了作用。外部颗粒射流在其顶部呈现出类似尖刺的结构，在底部附近则呈现出类似气泡的结构。随着扩展的颗粒床降低内部气体压力，靠近气泡的颗粒会受到较强的向内作用力，并发生加速度变化的RTI现象；而位于尖刺部分的颗粒由于大颗粒惯性和低颗粒体积分数，受到较弱的气体-颗粒相互作用力和碰撞力。因此，这些颗粒的速度几乎保持不变，这与圆柱形RTI中观察到的加速尖刺现象形成对比。为了研究RMI对颗粒射流增长的贡献，我们跟踪了单模扰动情况下靠近低谷区域的颗粒。研究发现，这些颗粒在扰动引起的压力梯度作用下加速，超越了靠近波峰区域的颗粒，并引发了相位反转，从而导致射流长度的增加。我们建立了一个用于描述射流长度增量的线性增长模型，该模型类似于平面里克特迈尔-梅什科夫脉冲模型。结合射流长度增量模型，我们提出了一个外部颗粒射流长度模型，该模型能够同时解释多种初始气体囊袋中心压力和颗粒床厚度条件下的数值和实验结果。

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