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低温流体汽蚀的CFD模拟及实验研究

曹潇丽  
【摘要】:本文对低温流体汽蚀现象进行了CFD数值模拟和初步实验研究,其研究意义在于:有助于探索如何改进液体推进型火箭发射系统的稳定运行,并且该现象代表了一大类操作温度接近临界温度的流体汽蚀问题。在这一类问题中,热效应起了关键作用,它的存在使低温流体的汽蚀相比水汽蚀呈现出非等温、多孔、气液相界面模糊、近似条件下汽蚀强度减弱的特点。 本文较充分地调研了国内外学者在基于水汽蚀CFD研究的基础上对低温汽蚀热效应的研究现状,采用“全汽蚀模型”结合能量方程描述低温流体汽蚀过程中气液相之间的质量和能量交换。将该模型用于对NASA关于低温流体绕流水翼、钝头体的汽蚀以及文氏管内液氧汽蚀流动的建模。在充分考察网格划分、近壁面处理、模型参数选择等数值计算策略后,将数值模拟结果与实验数据及已有的前人模拟结果进行比较,验证了全汽蚀模型在模拟类稳态低温流体汽蚀中的准确性,并初步分析了低温汽蚀机理及对汽蚀数的敏感性。 在此基础上,鉴于全汽蚀模型中气泡半径为常数的假设在非稳态汽蚀中并不合理的事实,利用均相成核理论及Rayleigh-Plesset方程,发展了动态汽蚀模型。该模型基于气泡时刻处于热力学平衡状态的假设,计算气泡半径关于压力的函数,并考虑了表面张力的影响。当其中的经验系数取Ce=0.018,Cc=0.01时,动态汽蚀模型在计算二维和轴对称、类稳态液氮汽蚀过程时,所得的温度及压力分布与完全汽蚀模型有相同的精度,并且对复杂压力分布情况,动态汽蚀模型精度更局。 对于低温流体汽蚀的可视化实验研究,本文的工作完成了实验方案的设计和主要部件选型,包括温度传感器、压力传感器、质量流量计、高速摄像仪等,初步搭建了相应的实验台。


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