熱力學(xué)敏感流體空化流動(dòng)三維數(shù)值模擬研究.pdf

1、近年來，隨著載人航天和深空探測的需要，對液體運(yùn)載火箭的推力提出了越來越高的要求。用作推進(jìn)劑的低溫流體在流經(jīng)推進(jìn)系統(tǒng)時(shí)容易發(fā)生空化，使得內(nèi)部流場變得不穩(wěn)定而引起強(qiáng)烈的機(jī)械振動(dòng)，從而降低了液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性和推力性能。用作推進(jìn)劑的液氫和液氧等熱力學(xué)敏感流體介質(zhì)在空化過程表現(xiàn)出明顯的熱力學(xué)效應(yīng)，使得空化流動(dòng)變得更加復(fù)雜。因此，掌握預(yù)測熱力學(xué)敏感流體空化流動(dòng)特性的數(shù)值計(jì)算方法以及獲得熱力學(xué)效應(yīng)對空化流動(dòng)影響機(jī)理具有重要理論意義和應(yīng)用價(jià)值。本

2、文采用數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法，開展了熱力學(xué)敏感流體定常和非定常空化流動(dòng)三維數(shù)值模擬研究，主要研究內(nèi)容和成果如下：
　　基于均質(zhì)平衡流模型，建立了計(jì)算熱力學(xué)敏感流體空化流動(dòng)問題的基本數(shù)學(xué)模型和數(shù)值方法。通過CEL（CFXExpression Language）語言對CFX軟件進(jìn)行二次開發(fā)，將液氫、液氮以及氟化酮流體介質(zhì)的物理屬性隨溫度變化的關(guān)系函數(shù)引入到求解軟件中，在能量方程中通過添加能量源項(xiàng)的方法考慮了汽化潛熱的影響。同時(shí)

3、將空化模型和湍流模型添加到CFX求解器中，并與基本控制方程耦合，形成了計(jì)算空化流動(dòng)問題的基本數(shù)值方法。
　　基于熱力學(xué)敏感流體定?？栈鲃?dòng)特點(diǎn)，評價(jià)了修正經(jīng)驗(yàn)常數(shù)和引入熱力學(xué)效應(yīng)的空化模型對熱力學(xué)敏感流體空化流動(dòng)的適用性，建立了計(jì)算熱力學(xué)敏感流體定?？栈鲃?dòng)的三維數(shù)值模擬方法。針對三種常用的空化模型，修正蒸發(fā)常數(shù)和凝結(jié)常數(shù)后的Zwart空化模型和Merkle空化模型在預(yù)測空化流場溫度和壓力方面優(yōu)于Kunz模型，但是數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試

4、驗(yàn)數(shù)據(jù)仍有一定的差異?；谄簝上嚅g的熱擴(kuò)散方程和能量方程給出了考慮熱力學(xué)效應(yīng)的修正Zwart空化模型，改進(jìn)后的Zwart空化模型實(shí)現(xiàn)了對熱力學(xué)敏感流體定常空化流場的準(zhǔn)確預(yù)測。
　　基于本文建立的計(jì)算定常空化流動(dòng)數(shù)值方法，開展了不同熱力學(xué)敏感流體定?？栈鲃?dòng)特性研究，掌握了空化熱力學(xué)效應(yīng)影響機(jī)理。通過對液氫、液氮繞圓頭水翼和尖頂拱模型開展的三維定常空化流動(dòng)計(jì)算分析，獲得了空化流場溫度、壓強(qiáng)、混合區(qū)液/汽體積分?jǐn)?shù)、兩相間質(zhì)量轉(zhuǎn)化率以

5、及典型熱力學(xué)參數(shù)變化特性，給出了流體介質(zhì)物理屬性對空化流場特性影響規(guī)律，揭示了空化熱力學(xué)效應(yīng)影響機(jī)理。
　　基于空化湍流流場流動(dòng)特點(diǎn)，對PANS湍流模型中控制參數(shù)進(jìn)行了敏感性分析，建立了計(jì)算熱力學(xué)敏感流體非定?？栈鲃?dòng)的三維數(shù)值模擬方法。通過減小PANS湍流模型中的控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)從雷諾時(shí)均化RANS方法到直接數(shù)值模擬DNS方法的過渡，改善了對空化流場湍流粘度和小尺度旋渦的描述。通過與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比，驗(yàn)證了改變控制參數(shù)的PANS湍流模