热力学敏感流体空化流动三维数值模拟研究

【摘要】：近年来,随着载人航天和深空探测的需要,对液体运载火箭的推力提出了越来越高的要求。用作推进剂的低温流体在流经推进系统时容易发生空化,使得内部流场变得不稳定而引起强烈的机械振动,从而降低了液体火箭发动机的可靠性和推力性能。用作进剂的液氢和液氧等热力学敏感流体介质在空化过程表现出明显的热力学效应,使得空化流动变得更加复杂。因此,掌握预测热力学敏感流体空化流动特性的数值计算方法以及获得热力学效应对空化流动影响机理具有重要理论意义和应用价值。本文采用数值计算与试验数据相结合的方法,开展了热力学敏感流体定常和非定常空化流动三维数值模拟研究,主要研究内容和成果如下:基于均质平衡流模型,建立了计算热力学敏感流体空化流动问题的基本数学模型和数值方法。通过CEL(CFX Expression Language)语言对CFX软件进行二次开发,将液氢、液氮以及氟化酮流体介质的物理属性随温度变化的关系函数引入到求解软件中,在能量方程中通过添加能量源项的方法考虑了汽化潜热的影响。同时将空化模型和湍流模型添加到CFX求解器中,并与基本控制方程耦合,形成了计算空化流动问题的基本数值方法。基于热力学敏感流体定常空化流动特点,评价了修正经验常数和引入热力学效应的空化模型对热力学敏感流体空化流动的适用性,建立了计算热力学敏感流体定常空化流动的三维数值模拟方法。针对三种常用的空化模型,修正蒸发常数和凝结常数后的Zwart空化模型和Merkle空化模型在预测空化流场温度和压力方面优于Kunz模型,但是数值计算结果与试验数据仍有一定的差异。基于汽液两相间的热扩散方程和能量方程给出了考虑热力学效应的修正Zwart空化模型,改进后的Zwart空化模型实现了对热力学敏感流体定常空化流场的准确预测。基于本文建立的计算定常空化流动数值方法,开展了不同热力学敏感流体定常空化流动特性研究,掌握了空化热力学效应影响机理。通过对液氢、液氮绕圆头水翼和尖顶拱模型开展的三维定常空化流动计算分析,获得了空化流场温度、压强、混合区液/汽体积分数、两相间质量转化率以及典型热力学参数变化特性,给出了流体介质物理属性对空化流场特性影响规律,揭示了空化热力学效应影响机理。基于空化湍流流场流动特点,对PANS湍流模型中控制参数进行了敏感性分析,建立了计算热力学敏感流体非定常空化流动的三维数值模拟方法。通过减小PANS湍流模型中的控制参数,实现从雷诺时均化RANS方法到直接数值模拟DNS方法的过渡,改善了对空化流场湍流粘度和小尺度旋涡的描述。通过与试验数据对比,验证了改变控制参数的PANS湍流模型对热力学敏感流体非定常空化流动空泡演变过程和流动细节预测的有效性。基于本文建立的计算非定常空化流动数值方法,开展了氟化酮、液氢以及液氮三种介质绕带攻角水翼非定常空化流动研究,掌握了空化流场非定常空泡演变机理。通过分析空化流场旋涡结构、涡量传输、流体动力、速度矢量以及温度梯度变化等特性,揭示了热力学效应下空化流场空泡生成-发展-脱落-溃灭复杂的演变过程机理。