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?、氫氣、蒸汽、空氣等氣體的流量測量，亦可作為氣體流量的傳遞標準。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為研究對象，圍繞噴嘴邊界層發(fā)展以及凝結(jié)現(xiàn)象進行了深入研究，旨在推動音速噴嘴計量水平的提高。主要研究工作與所形成的成果及結(jié)論如下：
　　1.研究了真實氣

2、體的實際臨界流函數(shù)Cr*。以標準氫為例，提出了基于焓熵關(guān)系及Helmholtz自由能的真實氫氣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，給出了真實氫氣的質(zhì)量流量理論公式，并用Morioka高壓氫氣實驗數(shù)據(jù)加以驗證，成功地將音速噴嘴應用到氫能領(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流出系數(shù)的作用規(guī)律。發(fā)現(xiàn)在粗糙過渡區(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)。最后建立了真實氣體CFD模型，分析了高壓條件下粗糙度對Cd的影響，發(fā)現(xiàn)真實氣體粗糙度規(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、，從非粘性多維流動和層流邊界層角度，證明了擴散段影響噴嘴流量的內(nèi)在原因是邊界層與核心流場的相互作用，并給出了擴散段對噴嘴流場及流出系數(shù)的影響趨勢。結(jié)合CFD數(shù)值模擬和實驗數(shù)據(jù)分析了擴散段影響。發(fā)現(xiàn)擴散段的影響區(qū)域主要在低雷諾數(shù)區(qū)，當擴散角θ=1°、2.5°和6°時，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，用來提取真實喉部的狀態(tài)信息。
　　4.在低雷諾數(shù)區(qū)

5、，分析了“熱效應”現(xiàn)象的產(chǎn)生機理。利用熱電偶測量了噴嘴管壁溫度動態(tài)變化，證明了壁面溫降真實存在，實驗最大溫降達13℃。提出了噴嘴層流熱邊界層相似性解，并與CFD結(jié)果進行對比。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γ=1.4時管壁溫度變化造成的流出系數(shù)變化率。實驗對比發(fā)現(xiàn)：管壁溫度每降低10 K，流出系數(shù)變化超過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)流動的Wilson點解析表達式。只需用戶提供噴嘴的幾何尺寸、入口溫度T0、壓力p0和相對濕度Φ0，即可快速準確地獲得Wilson點位置及相應狀態(tài)。對比解析結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)，驗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點絕對位置X變大，但對應的無量綱截面積A0卻逐漸變小，因此Wilson點的膨脹率系數(shù)kp、過冷度?T和馬赫數(shù)M等參數(shù)均降低。另一方面，隨著入口過熱

7、度DT的增大，Wilson點向出口移動，無論是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)流動的Eulerian雙流體多維模型，從定常流動角度分析凝結(jié)對ISO類音速噴嘴流量的影響。CFD結(jié)果表明當相對濕度Φ0=95%時，自發(fā)凝結(jié)引起流量變化為-0.275%，這與實驗一致。另外，當Φ0較小時，可以從非自發(fā)凝結(jié)角度加以解釋。分