伴随凝结的喷管旋涡流动研究

发布时间：2020-03-26 07:32

【摘要】：旋涡、凝结都是日常生活和工业生产中十分常见的物理现象,得到了人们的广泛关注和深入研究。在一些特定条件下,比如各类喷管中,这些现象相互影响,产生复杂的相互作用过程,甚至改变相关设备的工作条件。本文采用基于VAS2D程序发展而来的ASCE2D程序,通过设计跟随旋涡移动的网格加密方法,实现了对旋涡演化细节的精细捕捉,并对喷管中的旋涡流动及其与凝结相互作用过程进行了数值研究。首先,针对喷管与旋涡相互作用问题,建立了由Taylor涡和Ludwieg管构成的数值模型,模拟了旋涡通过喷管的完整过程。着重考察了不同的旋涡强度下,喷管内流动参数(喷管轴线压力、波系结构等)和旋涡特征参数(旋涡形状、涡心轨迹、涡心迁移速度、旋涡面积等)随时间的演变规律。结果表明在喷管前部旋涡产生明显的压力扰动;在喉道前后的膨胀区旋涡向外扩散,面积增大但总环量基本维持不变,压力扰动逐步降低。当旋涡较强时,旋涡内部上下位置产生激波,并于涡核处中断。逆时针旋涡接近喉道后,涡心轨迹开始向上壁面偏转,迁移速度受到抑制;旋涡越强,轨迹上抬程度越明显,迁移速度越小。然后,研究了存在水蒸气凝结时喷管旋涡相互作用问题。通过提高驻室总温的方法,实现了旋涡内凝结和主流凝结在时间和空间上的分离,抑制了喷管主流凝结的自激振荡,能更清晰地分析旋涡内凝结与喷管的相互作用。结果表明旋涡内温度降低产生凝结,凝结释放的潜热使得局部温度升高,两者竞争形成了温度、密度和液态水质量分数等参数由涡中心向外周期波动变化的现象;发现强涡由于涡内温度更低在喷管中凝结的位置较弱涡靠前;发现在喷管出口,强涡生成的液滴平均半径较弱涡小,液滴数量较弱涡多;发现涡内凝结速率和液滴增长速率由于水蒸气消耗和跟随主流降温两个作用的影响出现波动;发现凝结会导致涡量向涡核集中,旋涡面积减小;发现旋涡在喷管中输运时涡内成核率先升高后降低,之后再次升高。
【图文】：

超音速,气流,水蒸气,液滴

组成成分主要包括甲烷，其他碳氢化合物和水蒸气，因此必须对水蒸气和碳氢逡逑化合物进行分离。传统的做法是通过添加乙二醇来实现水气分离，后来人们逡逑又发展出了更加先进的水蒸气冷凝技术。如图１．２所示，是用于天然气干燥的逡逑“Ｔｗｉｓｔｅｒ”装置。该装置在运行时，先调整气体状态达到饱和，，之后使气体通过逡逑Ｌａｖａｌ喷管而加速到超音速。此过程中，混合气体的温度和压强会降低，气流中逡逑形成雾状的液滴。之后，气流流过超音速段的翼型（如三角翼），产生绕轴线高逡逑速旋转的旋拧流，此时液滴将在离心力（高达３００，０００／７）的作用下被甩到气流逡逑外围。之后，通过特殊的分离器便可以提取出干燥的天然气。该装置无机械运逡逑动部件，可以连续运行，因此可以大大提高干燥天然气的效率。逡逑在高压气体的输送系统中，“安全阀门”的打开或者管壁的破损都会在相应逡逑部位形成强烈的膨胀波。此时局部气流会被加速到跨音速或超音速

超临界流动,喷管,干喷,内稳态

‘邋Ｉｆ逡逑图１．３邋Ｓ２喷管内稳态流动的纹影图。流动方向：从左向右。逡逑ｌ0９ｌ0邋Ｊ逦Ｐ／Ｐ0逦ｇ＾ｍａｘ逡逑２５．０逦ｉ邋？邋—逦「逦—邋Ｔ邋一＾＾￣＿｜＿；—邋ｉ邋ｑ逡逑［ｍＶ】－卜＇邋ｌ0９ｉ0Ｊ邋／ｇ／ｇｍａＸ逦－逡逑２０．０逦０．８逦＼邋Ａ邋０８逡逑１５．０逦０．６逦＼ｌ邋Ｊ逦０．６逡逑ＮＪＶ／ｐ0逦－逦？逡逑１０．０逦０．４逦０．４逡逑５．０逦０．２逦０．２逡逑0，；－逦ｏ．0Ｌ…Ｉ．．．．．．！邋１！…ｉ一Ｊ0．0逡逑－１０逦－５逦０逦５逦１０逦１５逡逑ｘ邋［ｃｍ］逡逑图１．４Ｇ２喷管中的超临界流动。轴线压强Ｐ／ｐａ，凝结的液相质量分数ｓ／ｇｍａ；ｃ，成核率Ｊ。逡逑图中亦包括干喷管内的轴线压力Ｐａｄ／Ｐｏ。逡逑６逡逑
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O35

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