高速气体与固体颗粒群相互作用的研究有着广泛的应用。例如在炸药爆炸中，爆炸产生的冲击波在含有尘埃的大气中传播；火山喷发过程中，喷发产生的冲击波与火山灰的相互作用；无针注射中，如果药剂是粉末，则将粉末注射入皮肤的过程；在这类气固相互作用过程中，包含了复杂的物理现象，例如图1中所示，激波的多次反射、聚焦以及激波与旋涡的相互作用，这使得到目前为止还没有适当的理论模型可用于工程计算[1]。实验方面，前人在此领域中开展了一系列工作，是此类问题研究的一个很大的组成部分。本文对高速气体与固体颗粒实验做一个简单的介绍，以起到抛砖引玉的作用。感兴趣的读者欢迎补充交流。

Figure1  激波颗粒群的相互作用示意图

Figure2  在垂直激波管中，激波与悬挂球之间的相互作用。

（左边）球体模型示意图，（右边）垂直激波管示意图[2]

 图2 显示的是Tanno等人于2003年在垂直激波管中进行的激波与悬挂球相互作用的物理实验，其中悬挂球的直径为80毫米，在球中配有加速度计用于测量小球所受到的阻力。在该实验中得到的阻力随着时间变化的曲线与数值模拟得到的结果吻合很好。

Figure3  激波管中气体-颗粒混合物的相互作用研究[3]

图3展示的是亚利桑那州立大学K.Chojnicki 等人于2006年在激波管中进行的激波颗粒相互作用的实验，用于研究火山喷发的早期过程。在此实验中，颗粒的大小是45-150微米，压强比的范围为[1-70]，颗粒的加速度可以达到150g。

Figure4  小球在不稳定流体中阻力系数的测量。

（左）在不同时刻下小球与激波的相互作用摄影图。（右）实验设备图[4]

Figure5  多相流激波管中激波与颗粒群相互作用。

（左）入射激波马赫数1.92与颗粒帘相互作用的高速纹影图（右）多相激波管示意图[5]

图5显示的是Sandia国家实验室Wagner等人在2012进行的多相流激波管中激波和颗粒帘相互作用的实验。其中图5（左）显示的是入射激波与颗粒帘的相互作用的纹影图。从图中可以看出，在实验的初始阶段，入射激波撞击颗粒帘后会产生反射激波和透射激波，在实验前期可以认为颗粒帘是固定不动，但随着时间的推进，颗粒帘会不断扩张，并整体向下游运动。在此实验中颗粒的直径为100微米左右，入射激波马赫数为1.66-2.02。

Figure6  基于多脉冲粒子图像测速和粒子跟踪技术来测量颗粒的阻力系数。

（左）不同直径下颗粒位置随时间变化图。（右）实验仪器中测试段示意图[6]

Figure7   激波管和固体颗粒帘相互作用的实验研究。

（左）入射激波马赫数1.93，在t=0;0.2;0.3ms时候摄影图。

（右）ASOS激波管实验设备图[7]

图7显示的是加州大学圣芭芭拉分校的Theofanous等人于2016年进行的类似于文献[5]中所示激波与颗粒帘相互作用实验研究，除了得到类似于文献[5]中基本的物理现象之外，还发现了在不同条件下的物理实验结果存在着标度律，即用特征时间的平方作为横坐标以及特征长度作为纵坐标，可以发现颗粒帘宽度的在不同时刻下的值可以趋近于某一条曲线。并且在实验前期，颗粒帘处于恒定加速阶段。在实验后期，颗粒帘处于匀速运动阶段。

Figure8  部分实验的流场参数

图8给出的是本文中所介绍的部分实验流场参数。

结论

参考文献

[1]施红辉.用激波管研究超音速气固两相流[J].应用力学学报,2003(04):41-45+162.

[2]H.Tanno, K. Itoh, T. Saito, A. Abe, K. Takayama, Interaction of a shock with asphere suspended in a vertical shock tube, Shock Waves. 13 (2003) 191–200.

[3]K.Chojnicki, A.B. Clarke, J.C. Phillips, A shock‐tube investigation of thedynamics of gas‐particle mixtures: Implications for explosive volcaniceruptions, Geophysical Research Letters. 33 (2006) 292–306.

[4] G.Jourdan, L. Houas, O. Igra, J.L. Estivalezes, C. Devals, E.E. Meshkov, DragCoefficient of a Sphere in a Non-Stationary Flow: New Results, ProceedingsMathematical Physical & Engineering Sciences. 463 (2007) 3323–3345.

[5]J.L.Wagner, S.J. Beresh, S.P. Kearney, W.M. Trott, J.N. Castaneda, B.O. Pruett,M.R. Baer, A multiphase shock tube for shock wave interactions with denseparticle fields, Exp. Fluids. 52 (2012) 1507–1517.doi:10.1007/s00348-012-1272-x.

[6]A.A.Martinez, G.C. Orlicz, K.P. Prestridge, A new experiment to measure shockedparticle drag using multi-pulse particle image velocimetry and particletracking, Experiments in Fluids. 56 (2014) 1854. doi:10.1007/s00348-014-1854-x.

[7]T.G.Theofanous, V. Mitkin, C.-H. Chang, The dynamics of dense particle cloudssubjected to shock waves. Part 1. Experiments and scaling laws, Journal ofFluid Mechanics. 792 (2016) 658–681. doi:10.1017/jfm.2016.97.

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