低溫流體空化特性數(shù)值研究.pdf

1、隨著載人航天、深空探測等大型航天活動的開展,對液體運載火箭的推力要求越來越高,大推力要求會使液體運載火箭中流經(jīng)推進系統(tǒng)的低溫流體推進劑產(chǎn)生空化現(xiàn)象,從而嚴重影響液體運載火箭的性能和可靠性。因此,準確預測低溫流體空化是大推力液體運載火箭的關鍵技術之一。掌握低溫流體空化特性及其機理具有重要的理論意義和工程應用價值。低溫流體空化問題是一種溫度接近飽和溫度的流體空化問題,與常溫流體空化的不同主要在于熱力學效應的影響程度不同。本文針對低溫流體空化

2、問題,考慮低溫流體的熱力學效應,采用數(shù)值模擬方法對低溫流體的定常和非定?？栈鲃犹匦蚤_展了研究,主要研究工作如下:
　　基于Rayleigh-Plesset汽(氣)泡動力學方程,考慮溫度的影響,結合兩相間的熱擴散方程和汽泡熱平衡方程,推導得到熱力學效應項,并對Zwart空化模型的質量輸運源相進行修正,建立了考慮熱力學效應的修正空化模型,對液氮繞水翼空泡流動進行定常數(shù)值模擬,其計算結果與試驗數(shù)據(jù)吻合較好,驗證了該模型的有效性。

3、>　　基于均質平衡流理論,以商用軟件FLUENT12.0為研究平臺,通過自定義函數(shù)方法在能量方程中加入源相,考慮汽化潛熱的影響,同時引入低溫流體物性參數(shù)隨溫度的變化函數(shù)。模擬了液氮繞圓頭型水翼空泡流動,對比分析了三種空化模型對空化熱力學效應的敏感程度,認為Zwart空化模型適合模擬低溫流體空化,并分析了Zwart空化模型中蒸發(fā)和凝結系數(shù)對低溫流體空化特性的影響,給出更適合模擬低溫流體空化的蒸發(fā)和凝結系數(shù);
　　模擬了液氮繞不同翼型

4、的定常和非定常空泡流動,分析了三種湍流模型及入口湍流粘度比對低溫流體空化特性的影響,Realizablek-ε湍流模型在低溫流體定常和非定常空泡流動模擬中,不受入口湍流粘度比的影響,適用于模擬低溫流體空化特性。選取合適的數(shù)值計算方法,并利用試驗數(shù)據(jù)驗證了數(shù)學模型和數(shù)值計算方法的有效性,形成了一套計算低溫流體空化特性的數(shù)值模擬方法。
　　基于本文形成的數(shù)值模擬方法,對液氮、液氫繞二維圓頭型水翼定?？张萘鲃舆M行數(shù)值模擬,研究了液氮和液

5、氫兩種低溫流體介質熱力學效應對空化特性的影響程度,并對其影響機理進行了分析,得出液氫的空化熱力學效應強于液氮;研究了來流速度、來流溫度和遠場壓強對低溫流體空化特性的影響,得到了壓強分布、溫度分布、液相體積分數(shù)分布和空泡長度隨流動參數(shù)的變化規(guī)律,得出在同一流體介質中,各流動參數(shù)也會影響熱力學效應。
　　通過對液氫繞二維NACA0015翼型非定?？张萘鬟M行數(shù)值模擬,研究不同溫度下,空泡的演變過程和空泡周期性脫落的規(guī)律,得到了溫度對空泡