風(fēng)洞流場和模型試驗中相變影響的數(shù)值研究.pdf

1、近年來，伴隨吸氣式高超聲速飛行器研究的蓬勃開展，燃燒加熱風(fēng)洞作為帶動力地面模擬試驗的主要設(shè)備，起到了關(guān)鍵的支撐作用，隨著一系列大尺寸燃燒加熱風(fēng)洞陸續(xù)建成，與之相關(guān)的試驗精度和不確定性分析也日益受到關(guān)注。燃燒加熱風(fēng)洞通過燃燒的方式一方面可以獲得滿足焓值要求的高超聲速試驗氣流，但另一方面也會產(chǎn)生水蒸氣、二氧化碳等污染氣體。污染氣體通過設(shè)備噴管進入風(fēng)洞試驗段之前，會沿噴管擴張段急速膨脹，該過程所伴隨的溫度陡降，可能會導(dǎo)致燃燒產(chǎn)物中的水蒸氣發(fā)生

2、急劇凝結(jié)，進而影響流場參數(shù)，降低風(fēng)洞流場品質(zhì)。此外，當(dāng)噴管出口氣流通過試驗段飛行器模型壓縮面時，由于激波壓縮使溫度與壓強突然升高，凝結(jié)的水滴則可能發(fā)生再次蒸發(fā)等相變現(xiàn)象。因此，為全面評估水蒸氣相變（包括凝結(jié)和再蒸發(fā)過程）對燃燒加熱風(fēng)洞試驗結(jié)果的影響，本文采用同時考慮凝結(jié)和蒸發(fā)相變模型的多組分輸運可壓縮流動數(shù)值模擬方法，從噴管凝結(jié)和構(gòu)型蒸發(fā)兩個方面出發(fā)，研究了燃燒加熱風(fēng)洞中的水蒸氣相變所產(chǎn)生的影響。
　　首先考察了水蒸氣相變對燃燒加

3、熱風(fēng)洞噴管流場的影響。研究表明:一方面，水蒸氣相變導(dǎo)致噴管出口參數(shù)偏離設(shè)計工況，如馬赫數(shù)和總壓下降、靜壓和靜溫上升等；另一方面，相變過程的不均勻性還會改變噴管流場結(jié)構(gòu)，形成以凝結(jié)激波及其反射為主要特征的流場結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致噴管出口主要試驗區(qū)流場均勻性下降。
　　針對燃燒加熱風(fēng)洞逐漸向大口徑、全尺寸模擬設(shè)備方向發(fā)展的趨勢，選取了四種型線相似的噴管，出口直徑分別為300mm、600mm、2400mm和5000mm，開展了尺度效應(yīng)的影響研究。

4、研究表明:隨著噴管尺寸的增大，盡管液滴變得更大，但數(shù)量卻在減少，因而凝結(jié)后總的液相質(zhì)量差別不大，表明不同尺度的噴管具有大致相當(dāng)?shù)乃魵饽Y(jié)程度，尺度效應(yīng)對噴管相變流場的影響并不顯著。
　　最后，研究了超聲速來流條件下凝結(jié)氣流再蒸發(fā)對典型壓縮構(gòu)型（二維斜劈、三維斜劈、圓錐和總壓耙）流場參數(shù)及氣動力的影響，結(jié)果表明:氫燃料燃燒加熱風(fēng)洞噴管氣流中，水蒸氣存在較為明顯的凝結(jié)相變，但在遇到試驗?zāi)Ｐ图げ▔嚎s后也存在較強的蒸發(fā)相變；凝結(jié)會使噴管