The flow behind shock waves in the particle-laden gas medium shows complex relaxation pheonomenon due to momentum and energy exchanges between the two phases. In this dissertation, numerical analyses of the gas-particle mixed flows were performed using a two-fluid model. TVD and MacCormack schemes were employed to solve the gas particle equations, respectively. Investigated in depth are variation of the flow structures depending on the particle composition in the gas medium and the shock wave interaction effect for unsteady and steady problems.
To validate the numerical process, the gas-only phase flow was first solved for the moving shock waves reflected from a compression corner. The numerical result agreed very well the experimental data, and it was found that supersonic flow existed locally in the triangular region between the Mach stem and the slipline. In the case of two phase flows, interaction effect was more distinguished for the smaller particles and for the higher mass fraction ratios; supersonic flow was observed extended locally to the second triple point. The shock structures in the particle-laden gas flow became quite complicated, resembling the Double Mach Reflection. The flow domain was divided by shock waves and contact discontinuity line into three characteristic zones: the zone of inert uniform particles, the particulate relaxation zone, and the particle-free zone. The speed of the moving shock wave was retarded and the peak density in the relaxation zone was increased as the gas-particle interaction became higher.
The computational results of the steady highly-underexpanded free jets also showed increased interaction effect with the smaller particles and with the higher loading ratios. The reduced gas momentum caused by the particle interaction was blamed for the weakened Mach disk that moved downstreams. Behind the Mach disk, the gas was reaccelerated to the supersonic speed due to the higher particle velocities; this is in contrast to the pure gas flow which remained subsonic along the jet axis. It is found that there is similarity between the effect of inverse of the particle size and the particle loading ratio in the steady tow-phase jet flows.
입자 부상 기체 매질에서의 충격파 전파는 상이한 두 상(phase)간의 운동량과 에너지 교환의 상호작용으로 인하여 매우 복잡한 형태의 유동을 수반한다. 본 논문에서는 기체와 입자 유동에 대한 수치적 모델(two-fluid model)을 설정하고 기체 방정식에는 TVD 방법, 그리고 입자 방정식에는 MacCormack 방법을 사용하여 수치적인 유동해석을 실시하였다. 응용 문제로서 첫째로는 압축성 모서리위를 지나는 이차원 이동 충격파에 의해 유발된 유동과, 둘째로는 과소 팽창 (underexpanded)축대칭 정상 제트 유동의 문제를 모두 수치적으로 해석함으로써, 기체 매질내에 존재하는 다양한 입자의 조건으로부터 야기되는 정상 또는 비정상 유동의 형태적 변화와 충격파 전후의 기체-입자간의 간섭작용을 규명하였다.
수치적 방법의 검증을 위하여 우선 첫번째 문제에서 입자가 존재 하지 않는 순수 기체의 비정상 유동을 해석하였는데, 이는 기존의 실험치와 잘 일치함을 볼 수 있었다. 또, 이경우 마하 스템(Mach stem)과 미끄럼 면(slipline)사이에 초음속 영역이 존재함이 관찰되었다. 기체-입자 혼합 유동의 경우, 입자의 질량대비(mass fraction ratio)가 크고 입자의 크기가 작을수록 두 매체간의 운동량 및 열 전달의 교환 효과가 증가하였고, 초음속 유동 영역이 마하 스템과 미끄럼면 사이의 삼각형 영역에서부터 두번째 삼중점(triple point)까지도 국소적으로 확장됨이 확인되었다. 따라서, 마하 반사(Mach reflection)의 형태는 Double Mach Reflection을 연상케하는 복잡한 형태로 바뀌고, 입자 영역(particulate zone)과 무 입자 영역(particle free zone)과의 불연속면이 뚜렷이 부각됨이 관찰되었다. 여기서 기체-입자의 상호 간섭 정도의 증가는 이동 충격파의 속도를 감소시키고, 이완 영역(relaxation zone)에서의 밀도 크기도 현저하게 증가시킨다.
과소 팽창 축대칭 제트 유동의 경우, 우선 순수 기체에 대한 수치결과는 기존 실험 결과와 잘 일치하였다. 입자가 섞여있는 기체-입자 유동의 경우, 앞의 비정상 유동과 마찬가지로 입자의 크기가 작고 입자부하율(particle loading ratio)이 증가할수록 상호 작용의 효과가 커짐을 알게 되었다. 기체 매질내의 입자의 존재로 인한 기체의 운동량 감소는, 입사 충격파의 세기를 약화시켜 마하 디스크(Mach disk)의 위치를 후류쪽으로 이동하게 만들고, 디스크의 크기(지름)도 작게 만들어 줌이 관찰되었다. 순수 기체 유동의 경우에는 마하 디스크의 후류에서 대칭축 주위에 아음속 유동이 지배적으로 존재하나, 기체-입자 유동에서는 디스크를 통과한 기체흐름이 다시 가속되어 초음속 유동이 후류에서 일부 국소적으로 존재할 수 있음을 보여주었다. 그리고, 기체-입자의 정상 제트 유동에서는 입자 크기의 역수와 부하비 간에 상사성이 존재함을 발견하였다.
