这篇文档属于类型a，即报告了一项原创性研究。以下是针对该研究的学术报告：
本研究由Hongen Ge、Xin Zhang和Yuqi Liu共同完成，他们均来自山东科技大学机械与电子工程学院。该研究于2024年发表在期刊ACS Omega上，具体卷号为9，页码为46574−46587。
本研究的主要科学领域是超音速气固两相流，特别是针对超细干粉灭火喷嘴的设计与优化。随着科学技术的进步，灭火技术和灭火剂的效率及多样性得到了显著提升。干粉灭火剂因其低毒性、成本效益高以及优异的性能，被广泛应用于固体、气体、油类和电气火灾的扑灭。然而，现有灭火设备的性能往往无法满足日益增长的需求，因此有必要通过数值模拟和实验研究来优化灭火喷嘴的设计，以提高灭火效率。本研究旨在通过数值模拟和实验验证，分析超细干粉颗粒在高马赫数可压缩气流作用下的速度变化和空间分布，为灭火喷嘴的设计提供有价值的见解。
本研究主要包括以下几个步骤：
几何建模与数值方法
研究首先建立了一个二维轴对称超音速干粉喷嘴的几何模型，该模型基于简化的拉瓦尔喷嘴（Laval nozzle），具有较大的扩张角。模型包括扩张段、喉部和收缩段，并使用ICEM软件生成了高质量的结构化网格。边界条件包括压力入口、压力出口、无滑移绝热壁和轴对称条件。气体相入口压力设置为1.2 MPa，出口环境压力为1 atm，入口和出口温度为300 K。颗粒相入口速度与气体速度匹配，质量流量为0.001 kg/s。使用SST k-ω湍流模型和气体-固体耦合离散相模型（DPM）进行数值模拟。
网格独立性验证
为了确保模拟数据的准确性，研究选择了四种不同网格数的模型进行验证。结果表明，当网格数为186270时，最大相对误差为2.53%，满足网格独立性验证的要求。
模型精度验证
研究通过对比实验数据和数值模拟结果，验证了模型的准确性。实验数据来自Zaman的研究，模拟结果与实验数据高度吻合，表明该数值模型能够准确模拟超音速气固两相流。
超细干粉喷射实验平台
研究搭建了一个超细干粉喷射实验平台，包括喷射系统和控制采集系统。喷射系统由气体供应部分、干粉发送罐和超音速干粉喷嘴组成。控制采集系统包括气体开关、粉末管道开关、传感器、数据采集卡、计算机和高速摄像机。实验通过调节干粉发送罐的填充压力，分析不同压力下的喷射性能。
不同粒径的影响
研究分析了粒径为1 μm、5 μm、10 μm、15 μm和20 μm的超细干粉颗粒对气固两相流的影响。结果表明，随着粒径的增大，颗粒的流动性减弱，Saffman升力对颗粒的影响显著，且在喷嘴中心轴附近产生了无颗粒区。小粒径颗粒的热交换更强烈，导致气体相温度较高。
颗粒相质量流量的影响
研究探讨了不同质量流量对颗粒轨迹和空间分布的影响。结果表明，随着质量流量的增加，颗粒的轴向喷射速度显著降低，但低质量流量下的颗粒径向扩散范围更大。
喷嘴压力比的影响
研究分析了喷嘴压力比（p/p0 = 8−25）对超音速气固两相流的影响。结果表明，随着喷嘴压力比的增加，气体相动能显著增强，颗粒喷射速度显著提高，且核心喷射区的范围扩大。
填充压力对喷射性能的影响
研究通过实验验证了不同填充压力对超细干粉喷射性能的影响。结果表明，填充压力的增加显著提高了干粉的喷射距离和扩散范围。
本研究通过数值模拟和实验验证，分析了超细干粉颗粒在高马赫数可压缩气流作用下的速度变化和空间分布。研究发现，Saffman升力对颗粒运动有显著影响，尤其是在大扩张角的喷嘴中。随着粒径的增大，颗粒的流动性减弱，喷嘴中心轴附近出现无颗粒区。增加喷嘴压力比或降低干粉质量流量有助于提高喷嘴外核心喷射区的颗粒速度。这些发现为灭火喷嘴结构的设计提供了重要指导。
研究还通过实验验证了不同填充压力对超细干粉喷射性能的影响，结果表明填充压力的增加显著提高了干粉的喷射距离和扩散范围。这一发现为实际灭火操作中的压力调节提供了重要参考。