熱力學敏感流體空化流動三維數值模擬研究.pdf

1、近年來，隨著載人航天和深空探測的需要，對液體運載火箭的推力提出了越來越高的要求。用作推進劑的低溫流體在流經推進系統(tǒng)時容易發(fā)生空化，使得內部流場變得不穩(wěn)定而引起強烈的機械振動，從而降低了液體火箭發(fā)動機的可靠性和推力性能。用作推進劑的液氫和液氧等熱力學敏感流體介質在空化過程表現(xiàn)出明顯的熱力學效應，使得空化流動變得更加復雜。因此，掌握預測熱力學敏感流體空化流動特性的數值計算方法以及獲得熱力學效應對空化流動影響機理具有重要理論意義和應用價值。本

2、文采用數值計算與試驗數據相結合的方法，開展了熱力學敏感流體定常和非定常空化流動三維數值模擬研究，主要研究內容和成果如下：
　　基于均質平衡流模型，建立了計算熱力學敏感流體空化流動問題的基本數學模型和數值方法。通過CEL（CFXExpression Language）語言對CFX軟件進行二次開發(fā)，將液氫、液氮以及氟化酮流體介質的物理屬性隨溫度變化的關系函數引入到求解軟件中，在能量方程中通過添加能量源項的方法考慮了汽化潛熱的影響。同時

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，形成了計算空化流動問題的基本數值方法。
　　基于熱力學敏感流體定?？栈鲃犹攸c，評價了修正經驗常數和引入熱力學效應的空化模型對熱力學敏感流體空化流動的適用性，建立了計算熱力學敏感流體定常空化流動的三維數值模擬方法。針對三種常用的空化模型，修正蒸發(fā)常數和凝結常數后的Zwart空化模型和Merkle空化模型在預測空化流場溫度和壓力方面優(yōu)于Kunz模型，但是數值計算結果與試

4、驗數據仍有一定的差異?；谄簝上嚅g的熱擴散方程和能量方程給出了考慮熱力學效應的修正Zwart空化模型，改進后的Zwart空化模型實現(xiàn)了對熱力學敏感流體定常空化流場的準確預測。
　　基于本文建立的計算定?？栈鲃訑抵捣椒?，開展了不同熱力學敏感流體定常空化流動特性研究，掌握了空化熱力學效應影響機理。通過對液氫、液氮繞圓頭水翼和尖頂拱模型開展的三維定?？栈鲃佑嬎惴治?，獲得了空化流場溫度、壓強、混合區(qū)液/汽體積分數、兩相間質量轉化率以

5、及典型熱力學參數變化特性，給出了流體介質物理屬性對空化流場特性影響規(guī)律，揭示了空化熱力學效應影響機理。
　　基于空化湍流流場流動特點，對PANS湍流模型中控制參數進行了敏感性分析，建立了計算熱力學敏感流體非定?？栈鲃拥娜S數值模擬方法。通過減小PANS湍流模型中的控制參數，實現(xiàn)從雷諾時均化RANS方法到直接數值模擬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。通過與試驗數據對比，驗證了改變控制參數的PANS湍流模