相變對(duì)高超聲速流動(dòng)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(jī)的發(fā)展需要。隨后，一部分空氣動(dòng)力學(xué)專家開(kāi)始關(guān)注超音速風(fēng)洞中水蒸氣的凝結(jié)影響問(wèn)題。這個(gè)問(wèn)題在上個(gè)世紀(jì)得到了部分解決。近年來(lái)，伴隨著燃燒加熱風(fēng)洞技術(shù)的發(fā)展，相變對(duì)高超聲速流動(dòng)影響的研究進(jìn)入了一個(gè)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(diǎn):風(fēng)洞具有大擴(kuò)張比和高馬赫數(shù)等特點(diǎn)，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)氣流含有大量水蒸氣和二氧化碳等“污染”組分，并且實(shí)驗(yàn)氣流在膨脹加速過(guò)程中必須考慮其高溫氣體效應(yīng)。從研究成

2、果來(lái)看，目前僅有少數(shù)的文獻(xiàn)對(duì)該領(lǐng)域進(jìn)行研究，研究?jī)?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(shí)驗(yàn)氣流經(jīng)過(guò)模型表面時(shí)，由于液滴蒸發(fā)產(chǎn)生的吸熱效應(yīng)和添質(zhì)效應(yīng)對(duì)模型表面的氣動(dòng)參數(shù)具有很大影響，目前對(duì)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(dòng)中蒸發(fā)對(duì)流動(dòng)參數(shù)的影響和氮?dú)饽Y(jié)影響等三個(gè)方面開(kāi)展以下研究工作，具體說(shuō)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(guò)分析燃燒加熱風(fēng)洞水蒸氣凝結(jié)的物理過(guò)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(guò)程解耦為等熵膨脹過(guò)程和水蒸氣凝結(jié)過(guò)程，并提出了等熵膨脹界面和凝結(jié)界面的概念，通過(guò)建立兩個(gè)界面前后參數(shù)的關(guān)系式，最后建立并驗(yàn)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(lái)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(píng)估凝結(jié)對(duì)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(duì)斜劈表面氣動(dòng)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(guò)程與激波強(qiáng)度相關(guān)，并影響模型表面氣動(dòng)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(gè)激波下游區(qū)域蒸發(fā)完全的時(shí)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(guò)程解耦為氣流與激波作用的過(guò)程和液滴蒸發(fā)過(guò)程，并提出了激波界面和蒸發(fā)界面的概念，通過(guò)建立兩個(gè)界面前后參數(shù)的關(guān)系式，最后構(gòu)建并驗(yàn)證了高超聲速流動(dòng)中液滴蒸發(fā)影響的理論評(píng)估

5、模型。
　　最后，發(fā)展并驗(yàn)證了一套用于評(píng)估常規(guī)高超聲速風(fēng)洞中氮?dú)饽Y(jié)的數(shù)值計(jì)算程序。根據(jù)近年來(lái)數(shù)值方法的發(fā)展和氮?dú)饽Y(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(píng)估氮?dú)饽Y(jié)的數(shù)值計(jì)算程序。應(yīng)用該程序考察氮?dú)饽Y(jié)對(duì)高超聲速風(fēng)洞流場(chǎng)參數(shù)的影響。
　　綜上所述，通過(guò)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(píng)估燃燒加熱風(fēng)洞凝結(jié)影響提供了一種快速評(píng)估方法;詳細(xì)討論了