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考虑热力学效应的空化模型修正及其应用

发布时间:2021-02-07 08:23
  空化是指液体在流动过程中局部压力低于当地饱和蒸汽压而发生汽化的现象。液体汽化吸收汽化潜热,导致汽液两相间形成温度差,这种温差影响汽泡的生成和发展,即空化热力学效应。在液体火箭发动机涡轮泵设计中,由于低温试验开展困难,国内目前仍采用水介质下的常规方法设计和试验,无法准确预测实际流动状态和汽蚀性能。因此掌握水和液氢空化流动数值计算方法,建立液氢与水空化特性间的定性定量关系,对空化仿真技术发展及氢诱导轮设计水平提高具有重要的工程意义和实际应用价值。本文主要以Cervone空化试验数据为依据,以NACA0015翼型为研究对象,在考虑热力学效应条件下研究空不同空化模型在水和液氢空化流动中的适用性以及温度和流动参数对水和液氢空化流动的影响。基于单空泡热平衡和温度边界层傅里叶定律以及基于两相间热平衡和B因子理论分别建立了热力学效应对空泡半径和当地饱和蒸汽压修正的方法。应用CEL语言对CFX软件进行二次开发,对应用最广的Zwart模型进行热力学效应修正。通过对比343.15K水绕NACA0015翼型空化流动计算结果与试验数据,验证了两种修正方法的有效性和一致性。鉴于第一种方法仅适用于空化源项中含有空泡... 

【文章来源】:中国运载火箭技术研究院北京市

【文章页数】:117 页

【学位级别】:硕士

【文章目录】:
摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 研究背景及意义
    1.2 国内外研究现状分析
        1.2.1 理论研究
        1.2.2 试验研究
        1.2.3 数值模拟研究
    1.3 问题的提出
    1.4 本文主要研究内容
        1.4.1 课题目标
        1.4.2 研究对象和研究思路
        1.4.3 论文主要内容
2 理论基础及数值计算方法
    2.1 引言
    2.2 基本控制方程
    2.3 空化模型
        2.3.1 Zwart空化模型
        2.3.2 Merkle空化模型
        2.3.3 Kunz空化模型
        2.3.4 Schnerr-Sauer空化模型
    2.4 热力学效应修正方法
        2.4.1 基于B因子法则的热力学效应修正方法
        2.4.2 基于边界层傅里叶定律的热力学效修正方法
    2.5 物性参数修正
    2.6 湍动能对空化的影响
    2.7 空化模型的修正
        2.7.1 基于B因子方法修正的Zwart空化模型
        2.7.2 基于傅里叶定律修正的Zwart空化模型
    2.8 湍流模型
    2.9 壁面函数
    2.10 CFX软件二次开发
    2.11 本章小结
3 考虑热力学效应的空化模型在水空化流动中的应用评价
    3.1 引言
    3.2 物理模型及参数设置
    3.3 网格划分及无关性验证
    3.4 热力学效应修正方法对比分析
    3.5 不同空化模型预测水绕翼型空化流动对比分析
        3.5.1 不同空化模型适用性分析
        3.5.2 不同空化模型预测水绕翼型空化流动对比分析
            3.5.2.1 不同空化模型温度热敏感性分析
            3.5.2.2 不同空化模型模拟准确性分析
            3.5.2.3 不同空化模型收敛性分析
    3.6 本章小结
4 考虑热力学效应修正空化模型在液氢空化流动中的应用评价
    4.1 引言
    4.2 物理模型及参数设置
    4.3 计算工况及网格划分
        4.3.1 计算工况
        4.3.2 网格划分
    4.4 不同空化模型适用性分析
    4.5 空化模型经验系数修正
        4.5.1 Zwart模型经验系数修正
    4.6 Schnerr-Sauer空化模型空泡密度修正研究
    4.7 Merkle空化模型经验系数修正研究
    4.8 不同空化模型在液氢空化流动中的应用评价
        4.8.1 不同空化模型在液氢空化流动中的温度热敏感性差异分析
        4.8.2 不同空化模型的模拟准确性分析
    4.9 本章小结
5 不同温度水空化流动特性分析
    5.1 引言
    5.2 数值计算方法
    5.3 不同温度水空化流动热力学效应差异
        5.3.1 压力分布特性分析
        5.3.2 空化长度、空泡形态及汽相体积分数对比分析
        5.3.3 温度分布特性分析
        5.3.4 质量传输特性分析
    5.4 流动参数对水空化特性影响分析
        5.4.1 出口压强对水空化流动的影响分析
        5.4.2 入口速度对水空化流动影响分析
    5.5 来流温度微小变化对水空化流动的影响分析
    5.6 本章小结
6 液氢空化流动特性分析
    6.1 引言
    6.2 数值模拟方法
    6.3 不同温度液氢间空化热力学效应差异分析
        6.3.1 压力分布特性
        6.3.2 空化长度、空泡形态及汽相体积分数分布特性
        6.3.3 温度分布特性
        6.3.4 质量传输特性
    6.4 流动参数对液氢空化流动影响分析
        6.4.1 出口压强对液氢空化流动的影响分析
        6.4.2 入口速度对水空化流动影响分析
    6.5 温度微小变化对液氢空化流动影响分析
    6.6 液氢与水间空化特性对比分析
    6.7 本章小结
7 总结与展望
    7.1 总结
    7.2 展望
参考文献
致谢


【参考文献】:
期刊论文
[1]液氮空化非稳态脱落过程可视化实验研究[J]. 朱佳凯,王舜浩,余柳,邱利民,张小斌.  低温工程. 2018(02)
[2]低温流体汽蚀的数值计算及可视化实验研究[J]. 姜映福,刘中祥,褚宝鑫.  推进技术. 2017(12)
[3]不同温度水体空化水动力脉动特性的试验研究[J]. 时素果,王国玉,胡常莉,高德明.  机械工程学报. 2014(08)
[4]大推力氢氧发动机关键技术及解决途径[J]. 郑大勇,陶瑞峰,张玺,向猛.  火箭推进. 2014(02)
[5]超小型叶栅空化流场试验研究[J]. 张瑶,周志杰,罗先武,许洪元.  农业机械学报. 2014(09)
[6]低温介质质量传输空化模型的代理分析及优化[J]. 吴钦,王国玉.  应用力学学报. 2013(05)
[7]热力学效应对低温诱导轮旋转汽蚀影响的数值研究[J]. 唐飞,李家文,李永,周成.  火箭推进. 2013(02)
[8]低温流体空化特性的数值计算研究[J]. 时素果,王国玉,马瑞远.  工程力学. 2012(05)
[9]重型运载火箭及其应用探讨[J]. 何巍,刘伟,龙乐豪.  导弹与航天运载技术. 2011(01)
[10]考虑热力学效应的高温水空化模拟[J]. 季斌,罗先武,吴玉林,张瑶,许洪元.  清华大学学报(自然科学版). 2010(02)

博士论文
[1]热力学敏感流体空化流动三维数值模拟研究[D]. 孙铁志.哈尔滨工业大学 2016
[2]低温流体空化特性数值研究[D]. 马相孚.哈尔滨工业大学 2013

硕士论文
[1]考虑热力学效应的空化模型修正及低温空化流的数值模拟研究[D]. 王超超.江苏大学 2018
[2]热力学效应对诱导轮空化影响研究[D]. 陈晓.中国航天科技集团公司第一研究院 2017
[3]发动机冷却水泵热力学效应下的汽蚀机理研究[D]. 李维强.江苏大学 2016
[4]低温条件下空化流动特性数值研究[D]. 曹海涛.哈尔滨工业大学 2010



本文编号:3021959

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