相变对高超声速流动的影响研究

发布时间：2017-09-05 08:30

  本文关键词：相变对高超声速流动的影响研究

  更多相关文章： 燃烧加热风洞 高超声速流动 凝结 蒸发 同质成核 理论模型

【摘要】：伴随相变的两相流研究最早起源于工业汽轮机的发展需要。随后,一部分空气动力学专家开始关注超音速风洞中水蒸气的凝结影响问题。这个问题在上个世纪得到了部分解决。近年来,伴随着燃烧加热风洞技术的发展,相变对高超声速流动影响的研究进入了一个新的阶段。在该阶段,相变影响的研究与以往研究相比具有不同的特点：风洞具有大扩张比和高马赫数等特点,风洞实验气流含有大量水蒸气和二氧化碳等“污染”组分,并且实验气流在膨胀加速过程中必须考虑其高温气体效应。从研究成果来看,目前仅有少数的文献对该领域进行研究,研究内容主要围绕燃烧加热风洞中水蒸气的凝结影响研究,并且主要以数值模拟为主。此外,当风洞出口带液滴的高速实验气流经过模型表面时,由于液滴蒸发产生的吸热效应和添质效应对模型表面的气动参数具有很大影响,目前对该方面的研究极少。鉴于以上情况,本文围绕燃烧加热风洞水蒸气凝结影响、高超声速流动中蒸发对流动参数的影响和氮气凝结影响等三个方面开展以下研究工作,具体说明如下：首先,构建了燃烧加热风洞水蒸气凝结影响的理论模型。通过分析燃烧加热风洞水蒸气凝结的物理过程,获得水蒸气凝结影响的物理特征。在此基础上,将该过程解耦为等熵膨胀过程和水蒸气凝结过程,并提出了等熵膨胀界面和凝结界面的概念,通过建立两个界面前后参数的关系式,最后建立并验证了水蒸气凝结影响的理论模型,该模型兼顾了高温气体效应和水蒸气相变带来的加热及减质效应。应用该理论模型,最终可获得一种快速评估凝结对风洞出口参数影响的理论方法。其次,应用数值模拟和理论模型的方法研究高速带液滴气流对斜劈表面气动参数的影响。数值模拟结果表明液滴在激波后区域蒸发的弛豫过程与激波强度相关,并影响模型表面气动参数的均匀性,其中最大的不均性出现在偏转角处于刚好能使得液滴在整个激波下游区域蒸发完全的时刻。根据液滴蒸发与激波之间的耦合特征,在此基础上,将该过程解耦为气流与激波作用的过程和液滴蒸发过程,并提出了激波界面和蒸发界面的概念,通过建立两个界面前后参数的关系式,最后构建并验证了高超声速流动中液滴蒸发影响的理论评估模型。最后,发展并验证了一套用于评估常规高超声速风洞中氮气凝结的数值计算程序。根据近年来数值方法的发展和氮气凝结模型的最新成果,本文在ASCE2D程序的基础上,发展了一套用于评估氯气凝结的数值计算程序。应用该程序考察氮气凝结对高超声速风洞流场参数的影响。综上所述,通过本文的研究,我们可获得以下有意义的研究成果：构建了燃烧加热风洞水蒸气凝结影响的理论模型,为评估燃烧加热风洞凝结影响提供了一种快速评估方法；详细讨论了带液滴高速气流经过斜劈时蒸发的物理过程,给出了模型表面气动参数最大不均匀性的判断依据,建立了高超声速流动中水蒸气蒸发影响的理论评估模型；针对常规高超声速风洞氮气凝结影响的问题,发展了一套用于评估氮气凝结的数值计算程序。
【关键词】：燃烧加热风洞 高超声速流动 凝结 蒸发 同质成核 理论模型
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V211.74
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-14
• 主要符号对照表14-17
• 第一章 绪论17-25
• 1.1 研究背景17-20
• 1.2 研究现状20-23
• 1.3 本文安排23-25
• 第二章 物理模型和数值方法25-33
• 2.1 凝结模型25-28
• 2.1.1 成核理论25-27
• 2.1.2 液滴增长模型27-28
• 2.2 控制方程28-31
• 2.3 数值方法31
• 2.4 本章小结31-33
• 第三章 燃烧加热风洞中水蒸气凝结对流动参数的影响研究33-63
• 3.1 引言33-34
• 3.2 典型燃烧加热风洞运行状态的相变影响特征34-36
• 3.3 物理过程简化与求解思路36-38
• 3.3.1 物理过程简化36-37
• 3.3.2 模型求解思路37-38
• 3.4 理论模型的建立38-47
• 3.4.1 膨胀过程模型41-43
• 3.4.2 凝结过程43-47
• 3.4.3 模型求解流程47
• 3.5 理论模型的验证47-52
• 3.5.1 理论模型与数值计算结果验证48-49
• 3.5.2 凝结的二维效应影响49-50
• 3.5.3 理论模型与文献结果验证50-52
• 3.6 结果分析与应用52-60
• 3.6.1 结果分析52-57
• 3.6.2 理论模型的应用57-59
• 3.6.3 不同特征温度下的潜热影响评估59-60
• 3.7 本章小结60-63
• 第四章 高超声速流动中蒸发对流动参数的影响研究63-91
• 4.1 引言63-64
• 4.2 数值计算64-65
• 4.2.1 初始条件64-65
• 4.3 结果与分析65-68
• 4.3.1 相变对斜激波下游流场的影响65-68
• 4.4 理论模型68-79
• 4.4.1 问题的提出68
• 4.4.2 物理过程的解耦68-69
• 4.4.3 理论模型与求解过程69-79
• 4.5 理论模型的验证79-83
• 4.5.1 初始条件设置80
• 4.5.2 验证结果与分析80-83
• 4.6 模型的应用83-85
• 4.7 凝结与蒸发的综合影响85-89
• 4.8 本章小结89-91
• 第五章 常规高超声速风洞氮气凝结的影响研究91-105
• 5.1 引言91-92
• 5.2 氮气的物理性质92-95
• 5.2.1 饱和蒸汽压92-94
• 5.2.2 密度94
• 5.2.3 潜热94-95
• 5.2.4 表面张力95
• 5.3 物理模型及计算方法95-98
• 5.3.1 同质凝结模型95-96
• 5.3.2 热力学关系96-97
• 5.3.3 液滴温度97-98
• 5.4 数值方法的验证98
• 5.5 结果与讨论98-103
• 5.5.1 凝结的影响98-100
• 5.5.2 参数研究100-103
• 5.6 本章小结103-105
• 第六章 结论与展望105-109
• 6.1 结论105-106
• 6.2 创新点106-107
• 6.3 工作展望107-109
• 参考文献109-119
• 第A章 物理性质119-123
• 第B章 液滴蒸发对皮托管测试参数的影响模型123-133
• 致谢133-135
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果135

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本文编号：796916