相變對高超聲速流動的影響研究.pdf

1、伴隨相變的兩相流研究最早起源于工業(yè)汽輪機的發(fā)展需要。隨后，一部分空氣動力學(xué)專家開始關(guān)注超音速風(fēng)洞中水蒸氣的凝結(jié)影響問題。這個問題在上個世紀得到了部分解決。近年來，伴隨著燃燒加熱風(fēng)洞技術(shù)的發(fā)展，相變對高超聲速流動影響的研究進入了一個新的階段。在該階段，相變影響的研究與以往研究相比具有不同的特點:風(fēng)洞具有大擴張比和高馬赫數(shù)等特點，風(fēng)洞實驗氣流含有大量水蒸氣和二氧化碳等“污染”組分，并且實驗氣流在膨脹加速過程中必須考慮其高溫氣體效應(yīng)。從研究成

2、果來看，目前僅有少數(shù)的文獻對該領(lǐng)域進行研究，研究內(nèi)容主要圍繞燃燒加熱風(fēng)洞中水蒸氣的凝結(jié)影響研究，并且主要以數(shù)值模擬為主。此外，當(dāng)風(fēng)洞出口帶液滴的高速實驗氣流經(jīng)過模型表面時，由于液滴蒸發(fā)產(chǎn)生的吸熱效應(yīng)和添質(zhì)效應(yīng)對模型表面的氣動參數(shù)具有很大影響，目前對該方面的研究極少。鑒于以上情況，本文圍繞燃燒加熱風(fēng)洞水蒸氣凝結(jié)影響、高超聲速流動中蒸發(fā)對流動參數(shù)的影響和氮氣凝結(jié)影響等三個方面開展以下研究工作，具體說明如下:
　　首先，構(gòu)建了燃燒加熱風(fēng)

3、洞水蒸氣凝結(jié)影響的理論模型。通過分析燃燒加熱風(fēng)洞水蒸氣凝結(jié)的物理過程，獲得水蒸氣凝結(jié)影響的物理特征。在此基礎(chǔ)上，將該過程解耦為等熵膨脹過程和水蒸氣凝結(jié)過程，并提出了等熵膨脹界面和凝結(jié)界面的概念，通過建立兩個界面前后參數(shù)的關(guān)系式，最后建立并驗證了水蒸氣凝結(jié)影響的理論模型，該模型兼顧了高溫氣體效應(yīng)和水蒸氣相變帶來的加熱及減質(zhì)效應(yīng)。應(yīng)用該理論模型，最終可獲得一種快速評估凝結(jié)對風(fēng)洞出口參數(shù)影響的理論方法。
　　其次，應(yīng)用數(shù)值模擬和理論模型

4、的方法研究高速帶液滴氣流對斜劈表面氣動參數(shù)的影響。數(shù)值模擬結(jié)果表明液滴在激波后區(qū)域蒸發(fā)的弛豫過程與激波強度相關(guān)，并影響模型表面氣動參數(shù)的均勻性，其中最大的不均性出現(xiàn)在偏轉(zhuǎn)角處于剛好能使得液滴在整個激波下游區(qū)域蒸發(fā)完全的時刻。根據(jù)液滴蒸發(fā)與激波之間的耦合特征，在此基礎(chǔ)上，將該過程解耦為氣流與激波作用的過程和液滴蒸發(fā)過程，并提出了激波界面和蒸發(fā)界面的概念，通過建立兩個界面前后參數(shù)的關(guān)系式，最后構(gòu)建并驗證了高超聲速流動中液滴蒸發(fā)影響的理論評估

5、模型。
　　最后，發(fā)展并驗證了一套用于評估常規(guī)高超聲速風(fēng)洞中氮氣凝結(jié)的數(shù)值計算程序。根據(jù)近年來數(shù)值方法的發(fā)展和氮氣凝結(jié)模型的最新成果，本文在ASCE2D程序的基礎(chǔ)上，發(fā)展了一套用于評估氮氣凝結(jié)的數(shù)值計算程序。應(yīng)用該程序考察氮氣凝結(jié)對高超聲速風(fēng)洞流場參數(shù)的影響。
　　綜上所述，通過本文的研究，我們可獲得以下有意義的研究成果:構(gòu)建了燃燒加熱風(fēng)洞水蒸氣凝結(jié)影響的理論模型，為評估燃燒加熱風(fēng)洞凝結(jié)影響提供了一種快速評估方法;詳細討論了