音速噴嘴邊界層發(fā)展及凝結(jié)現(xiàn)象研究Boundary Layer Development andVapor.pdf

1、音速噴嘴目前已被廣泛應(yīng)用于石油、化工、節(jié)能、環(huán)保、航空和航天等領(lǐng)域?？芍苯佑糜谔烊粴狻錃狻⒄羝?、空氣等氣體的流量測(cè)量，亦可作為氣體流量的傳遞標(biāo)準(zhǔn)。在節(jié)能減排的大背景下，迫切地需要音速噴嘴在更寬的雷諾數(shù)和壓力范圍上保持較高精度和穩(wěn)定性，本文以音速噴嘴最為重要的性能參數(shù)——流出系數(shù)Cd為研究對(duì)象，圍繞噴嘴邊界層發(fā)展以及凝結(jié)現(xiàn)象進(jìn)行了深入研究，旨在推動(dòng)音速噴嘴計(jì)量水平的提高。主要研究工作與所形成的成果及結(jié)論如下：
　　1.研究了真實(shí)氣

2、體的實(shí)際臨界流函數(shù)Cr*。以標(biāo)準(zhǔn)氫為例，提出了基于焓熵關(guān)系及Helmholtz自由能的真實(shí)氫氣Cr*解析模型。采用牛頓迭代法求解并以數(shù)據(jù)表的形式給出在150 K≤T0≤600 K和p0≤100 MPa范圍內(nèi)的Cr*值。提出了基于進(jìn)化思想的回歸算法，獲得了Cr*回歸模型。再結(jié)合多維特性和邊界層理論，給出了真實(shí)氫氣的質(zhì)量流量理論公式，并用Morioka高壓氫氣實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)加以驗(yàn)證，成功地將音速噴嘴應(yīng)用到氫能領(lǐng)域。
　　2.在高雷諾數(shù)區(qū)，提

3、出了考慮粗糙度的流出系數(shù)近似解法。建立了基于k-ε湍流模型以及壁面函數(shù)法的CFD模型。綜合分析了粗糙度對(duì)流出系數(shù)的作用規(guī)律。發(fā)現(xiàn)在粗糙過(guò)渡區(qū)流出系數(shù)Cd開始逐漸降低，而在完全粗糙區(qū)，Cd不再隨雷諾數(shù)Red發(fā)生變化。此外，還發(fā)現(xiàn)粗糙度影響與噴嘴曲率半徑Rc和氣體比熱容比γ呈正相關(guān)。最后建立了真實(shí)氣體CFD模型，分析了高壓條件下粗糙度對(duì)Cd的影響，發(fā)現(xiàn)真實(shí)氣體粗糙度規(guī)律明顯偏離于理想條件，并用比熱容比?加以解釋。
　　3.在低雷諾數(shù)區(qū)

4、，從非粘性多維流動(dòng)和層流邊界層角度，證明了擴(kuò)散段影響噴嘴流量的內(nèi)在原因是邊界層與核心流場(chǎng)的相互作用，并給出了擴(kuò)散段對(duì)噴嘴流場(chǎng)及流出系數(shù)的影響趨勢(shì)。結(jié)合CFD數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析了擴(kuò)散段影響。發(fā)現(xiàn)擴(kuò)散段的影響區(qū)域主要在低雷諾數(shù)區(qū)，當(dāng)擴(kuò)散角θ=1°、2.5°和6°時(shí)，流出系數(shù)受影響的雷諾數(shù)上限Reθ分別為2.0×104、1.1×104和2.8×103。最后提出了“等效臨界流”的概念，用來(lái)提取真實(shí)喉部的狀態(tài)信息。
　　4.在低雷諾數(shù)區(qū)

5、，分析了“熱效應(yīng)”現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)理。利用熱電偶測(cè)量了噴嘴管壁溫度動(dòng)態(tài)變化，證明了壁面溫降真實(shí)存在，實(shí)驗(yàn)最大溫降達(dá)13℃。提出了噴嘴層流熱邊界層相似性解，并與CFD結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，流出系數(shù)與氣體比熱容比γ、噴嘴管壁和入口溫度之比Tw/T0以及雷諾數(shù)Red有關(guān)。利用相似性解獲得了當(dāng)γ=1.4時(shí)管壁溫度變化造成的流出系數(shù)變化率。實(shí)驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)：管壁溫度每降低10 K，流出系數(shù)變化超過(guò)0.2％，需要引起重視。
　　5.提出了適用于低壓

6、和高壓條件的音速噴嘴自發(fā)凝結(jié)流動(dòng)的Wilson點(diǎn)解析表達(dá)式。只需用戶提供噴嘴的幾何尺寸、入口溫度T0、壓力p0和相對(duì)濕度Φ0，即可快速準(zhǔn)確地獲得Wilson點(diǎn)位置及相應(yīng)狀態(tài)。對(duì)比解析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了該解析方法的精確度及可靠性。研究發(fā)現(xiàn)：隨著噴嘴喉徑d和曲率半徑Rc的增大，雖然Wilson點(diǎn)絕對(duì)位置X變大，但對(duì)應(yīng)的無(wú)量綱截面積A0卻逐漸變小，因此Wilson點(diǎn)的膨脹率系數(shù)kp、過(guò)冷度?T和馬赫數(shù)M等參數(shù)均降低。另一方面，隨著入口過(guò)熱

7、度DT的增大，Wilson點(diǎn)向出口移動(dòng)，無(wú)論是X還是A0均增大。
　　6.從“瑞利流”角度出發(fā)，分析噴嘴凝結(jié)流動(dòng)出現(xiàn)“熱阻塞”和“非穩(wěn)態(tài)自激振蕩”的條件與原因。建立了音速噴嘴中含濕氣體自發(fā)和非自發(fā)凝結(jié)流動(dòng)的Eulerian雙流體多維模型，從定常流動(dòng)角度分析凝結(jié)對(duì)ISO類音速噴嘴流量的影響。CFD結(jié)果表明當(dāng)相對(duì)濕度Φ0=95%時(shí)，自發(fā)凝結(jié)引起流量變化為-0.275%，這與實(shí)驗(yàn)一致。另外，當(dāng)Φ0較小時(shí)，可以從非自發(fā)凝結(jié)角度加以解釋。分