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(dòng)的開展,對液體運(yùn)載火箭的推力要求越來越高,大推力要求會使液體運(yùn)載火箭中流經(jīng)推進(jìn)系統(tǒng)的低溫流體推進(jìn)劑產(chǎn)生空化現(xiàn)象,從而嚴(yán)重影響液體運(yùn)載火箭的性能和可靠性。因此,準(zhǔn)確預(yù)測低溫流體空化是大推力液體運(yùn)載火箭的關(guān)鍵技術(shù)之一。掌握低溫流體空化特性及其機(jī)理具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)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(xué)效應(yīng)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(xué)效應(yīng),采用數(shù)值模擬方法對低溫流體的定常和非定常空化流動(dòng)特性開展了研究,主要研究工作如下:
　　基于Rayleigh-Plesset汽(氣)泡動(dòng)力學(xué)方程,考慮溫度的影響,結(jié)合兩相間的熱擴(kuò)散方程和汽泡熱平衡方程,推導(dǎo)得到熱力學(xué)效應(yīng)項(xiàng),并對Zwart空化模型的質(zhì)量輸運(yùn)源相進(jìn)行修正,建立了考慮熱力學(xué)效應(yīng)的修正空化模型,對液氮繞水翼空泡流動(dòng)進(jìn)行定常數(shù)值模擬,其計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好,驗(yàn)證了該模型的有效性。

3、>　　基于均質(zhì)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(shí)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(dòng),對比分析了三種空化模型對空化熱力學(xué)效應(yīng)的敏感程度,認(rèn)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(jié)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(jié)系數(shù);
　　模擬了液氮繞不同翼型

4、的定常和非定?？张萘鲃?dòng),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(dòng)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(jì)算方法,并利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型和數(shù)值計(jì)算方法的有效性,形成了一套計(jì)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?dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬,研究了液氮和液

5、氫兩種低溫流體介質(zhì)熱力學(xué)效應(yīng)對空化特性的影響程度,并對其影響機(jī)理進(jìn)行了分析,得出液氫的空化熱力學(xué)效應(yīng)強(qiáng)于液氮;研究了來流速度、來流溫度和遠(yuǎn)場壓強(qiáng)對低溫流體空化特性的影響,得到了壓強(qiáng)分布、溫度分布、液相體積分?jǐn)?shù)分布和空泡長度隨流動(dòng)參數(shù)的變化規(guī)律,得出在同一流體介質(zhì)中,各流動(dòng)參數(shù)也會影響熱力學(xué)效應(yīng)。
　　通過對液氫繞二維NACA0015翼型非定?？张萘鬟M(jìn)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