液氮空化流动的实验和数值计算研究
发布时间：2021-10-17 01:30
本文采用实验和数值计算相结合的方法针对低温液氮的空化流动特性进行了研究。本实验在低温介质空化流动测试平台中完成,采用高速全流场显示技术观测了温度为77.6 K的液氮在收缩-扩张管内的空穴形态并同步采集了流量:和空穴内部的压力数据。分别采用LES湍流模型和基于密度比修正的DCM湍流模型数值模拟了液氮的非定常空化流动。实验结果表明:液氮空化流动的非定常特性显著,单次完整地脱落周期约为3 ms,空穴呈现模糊状且不易溃灭。由于热力学效应的影响,空穴内部的局部压力低于来流温度下的饱和蒸汽压。数值结果表明:两种湍流模型计算得到的时均压力分布和非定常空穴形态与实验结果吻合良好,均能较好的描述液氮空化流动过程中空穴的形态和空化变化的准周期特性。与LES湍流模型结果相比,DCM湍流模型计算得到的云状脱落空泡团尺寸较大,空穴界面更加清晰。LES计算得到的空穴形态比较模糊,与实验结果更加接近。
【文章来源】：工程热物理学报. 2019,40(10)北大核心EICSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
液氮空化流动实验装置
１０期??梁文栋等：液氮空化流动的实验和数值计灯研究??２３０１??图２收缩扩张方形管道几何及传感器位置示意图??Ｆｉｇ．?２?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ａｎｄ?ｇｅｏｍｅｔｒｙ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｃｏｎｖｅｒｇｉｎｇ－ｄｉｖｅｒｇｉｎｇ?（Ｃ－Ｄ）?ｓｑｕａｒｅ?ｎｏｚｚｌｅ?ｗｉｔｈ?ｓｅｎｓｏｒ?ｐｏｓｉｔｉｏｎｓ??像的空间分辨率为０．０６２５?ｍｍ／ｐｉｘｅｌ。为了照亮试验??段同时尽可能减少光源对试验段的热辐射，将ＬＥＤ??灯固定在试验段的后面。??１．２实验条件??由于收缩扩张方形管道入口和出口处的温差??较小，因此采用入口温度和出口温度的平均值来表??征喉部温度。喉部速度可以通过涡轮流量计测得的??体积流量根据连续性方程计算得到。具体实验条件??和工况以及测得的空穴内部压力结果如表１所示。??ｄ（ｐｍＵｊ）?ｄｊｐｍＵｊＵｊ）??ｄｔ?ｄｘｊ??ｄｐ?ｄ?＼．?、?，、??￣ｄ＾?＋?ｄ＾［＾ｍ＋ｆＸｔｕｒ）?（２）??＼ｉ??＼ｄｘｊ?ｄｘｉ?３ｄｘｋ?１３）＿??ｉ?）??（Ｐｍ｛ｈ?＋?／ｖＬｅｖ））?＋??Ｑ??（ｐｍＵｊ（ｈ?Ｈ－?ｆｖＬｅｖ））＝?⑶??表１液氮空化流动的实验工况及结果??Ｔａｂｌｅ?１?Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ?ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ?ａｎｄ?ｒｅｓｕｌｔｓ?ｏｆ??ｌｉｑｕｉｄ?ｎｉｔｒｏｇｅｎ?ｃａｖｉｔａｔｉｎｇ?ｆｌｏｗｓ?ｆｏｒ?ｓｐｅｃｉｆｉｃ?ｃａｓｅ??变Ｍ??数值??喉部温度ｒｔｈｒ（）ａｔ／Ｋ??７７．６３??空化数＾??１．４５??雷诺数Ｈｅ??２．２１ｘ１０ｓ??流量?Ｑ／（Ｌ／ｍｉｎ）??６．９６??入口压力Ｐｕｐ／ｋＰａ??１
２３０２??工程热物理学报??４０卷??１２００００??１１００００??１０００００??管下壁面，并且在附着型空穴尾部呈现小尺度脱落，??呈现典型的云状空化特征。由于空穴周期性变化，对??喉口流动造成了不同程度的阻塞。并且图中可以看??出液氮空化形成的空穴非常模糊，有许多细小的空??泡组成。每个时间间隔都能观察到脱落下来的小空??泡，图５实验图片中虚线均表示观察到的脱落云状??空泡团的变化过程，在３．５?ｍｓ内一共观察到了?２个??类似的云状空泡团，４时刻到４时刻的蓝色实线表??示在附着型空穴底部观测到的回射流推进过程。??１６００００??１４００００??至于湍流模型，本文采用了陈泰然等１１１１提出??的适用于低温介质的基于密度比修正的ＤＣＭ湍流??模型，ＬＥＳ模型则依据参考文献［１２］。??２．３计算区域和边界条件??为了得到液氮空化的三维流动细节，三维几何??模型如图３（ａ）所示，尺寸参照实验段实际尺寸图２??确定。其中，计算域的边界条件如图３（ｂ）所示。??畚ｉ：［：樓滿Ｐｉ珠??：．??Ｊｉｋｎ??＼??＼??」＼??…壁＊先滑有??????ｆｊ?；??３结果与讨论??图４中给出了实验工况下，采用ＬＥＳ和ＤＣＭ数??值计算得到的时均压力分布与实验结果的对比。数??值计算的压力取三个准周期空化变化的时均压力。??实验压力分别为表１中的Ｐｉ、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５。图??中可以看出两种模型计算结果都与实验结果基本一??致。ａ；＜０．１?ｍ时，由于管道的收缩，导致液氮的速度??升高，压力急剧降低。经过喉口时，由于液氮的压力??低于饱和蒸汽压，因此经过喉口后液氮会发生空化，??在扩张管
【参考文献】：
期刊论文
[1]空化水动力学非定常特性研究进展及展望[J]. 季斌,程怀玉,黄彪,罗先武,彭晓星,龙新平. 力学进展. 2019(00)
[2]非定常空化流动研究现状与进展[J]. 黄彪,吴钦,王国玉. 排灌机械工程学报. 2018(01)
本文编号：3440861
【文章来源】：工程热物理学报. 2019,40(10)北大核心EICSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
液氮空化流动实验装置
１０期??梁文栋等：液氮空化流动的实验和数值计灯研究??２３０１??图２收缩扩张方形管道几何及传感器位置示意图??Ｆｉｇ．?２?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ａｎｄ?ｇｅｏｍｅｔｒｙ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｃｏｎｖｅｒｇｉｎｇ－ｄｉｖｅｒｇｉｎｇ?（Ｃ－Ｄ）?ｓｑｕａｒｅ?ｎｏｚｚｌｅ?ｗｉｔｈ?ｓｅｎｓｏｒ?ｐｏｓｉｔｉｏｎｓ??像的空间分辨率为０．０６２５?ｍｍ／ｐｉｘｅｌ。为了照亮试验??段同时尽可能减少光源对试验段的热辐射，将ＬＥＤ??灯固定在试验段的后面。??１．２实验条件??由于收缩扩张方形管道入口和出口处的温差??较小，因此采用入口温度和出口温度的平均值来表??征喉部温度。喉部速度可以通过涡轮流量计测得的??体积流量根据连续性方程计算得到。具体实验条件??和工况以及测得的空穴内部压力结果如表１所示。??ｄ（ｐｍＵｊ）?ｄｊｐｍＵｊＵｊ）??ｄｔ?ｄｘｊ??ｄｐ?ｄ?＼．?、?，、??￣ｄ＾?＋?ｄ＾［＾ｍ＋ｆＸｔｕｒ）?（２）??＼ｉ??＼ｄｘｊ?ｄｘｉ?３ｄｘｋ?１３）＿??ｉ?）??（Ｐｍ｛ｈ?＋?／ｖＬｅｖ））?＋??Ｑ??（ｐｍＵｊ（ｈ?Ｈ－?ｆｖＬｅｖ））＝?⑶??表１液氮空化流动的实验工况及结果??Ｔａｂｌｅ?１?Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ?ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ?ａｎｄ?ｒｅｓｕｌｔｓ?ｏｆ??ｌｉｑｕｉｄ?ｎｉｔｒｏｇｅｎ?ｃａｖｉｔａｔｉｎｇ?ｆｌｏｗｓ?ｆｏｒ?ｓｐｅｃｉｆｉｃ?ｃａｓｅ??变Ｍ??数值??喉部温度ｒｔｈｒ（）ａｔ／Ｋ??７７．６３??空化数＾??１．４５??雷诺数Ｈｅ??２．２１ｘ１０ｓ??流量?Ｑ／（Ｌ／ｍｉｎ）??６．９６??入口压力Ｐｕｐ／ｋＰａ??１
２３０２??工程热物理学报??４０卷??１２００００??１１００００??１０００００??管下壁面，并且在附着型空穴尾部呈现小尺度脱落，??呈现典型的云状空化特征。由于空穴周期性变化，对??喉口流动造成了不同程度的阻塞。并且图中可以看??出液氮空化形成的空穴非常模糊，有许多细小的空??泡组成。每个时间间隔都能观察到脱落下来的小空??泡，图５实验图片中虚线均表示观察到的脱落云状??空泡团的变化过程，在３．５?ｍｓ内一共观察到了?２个??类似的云状空泡团，４时刻到４时刻的蓝色实线表??示在附着型空穴底部观测到的回射流推进过程。??１６００００??１４００００??至于湍流模型，本文采用了陈泰然等１１１１提出??的适用于低温介质的基于密度比修正的ＤＣＭ湍流??模型，ＬＥＳ模型则依据参考文献［１２］。??２．３计算区域和边界条件??为了得到液氮空化的三维流动细节，三维几何??模型如图３（ａ）所示，尺寸参照实验段实际尺寸图２??确定。其中，计算域的边界条件如图３（ｂ）所示。??畚ｉ：［：樓滿Ｐｉ珠??：．??Ｊｉｋｎ??＼??＼??」＼??…壁＊先滑有??????ｆｊ?；??３结果与讨论??图４中给出了实验工况下，采用ＬＥＳ和ＤＣＭ数??值计算得到的时均压力分布与实验结果的对比。数??值计算的压力取三个准周期空化变化的时均压力。??实验压力分别为表１中的Ｐｉ、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５。图??中可以看出两种模型计算结果都与实验结果基本一??致。ａ；＜０．１?ｍ时，由于管道的收缩，导致液氮的速度??升高，压力急剧降低。经过喉口时，由于液氮的压力??低于饱和蒸汽压，因此经过喉口后液氮会发生空化，??在扩张管
【参考文献】：
期刊论文
[1]空化水动力学非定常特性研究进展及展望[J]. 季斌,程怀玉,黄彪,罗先武,彭晓星,龙新平. 力学进展. 2019(00)
[2]非定常空化流动研究现状与进展[J]. 黄彪,吴钦,王国玉. 排灌机械工程学报. 2018(01)
本文编号：3440861
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