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液氮空化热效应与脱落特性的模拟与实验研究

王舜浩  
【摘要】:空化现象是由于流场中液体内部的局部压力降低而导致的液体汽化并产生空泡的现象。在大推力液氢/液氧火箭推进系统中,低温流体空化现象常有发生。低温流体与常温流体相比,会受到热效应的影响,在空泡及附近区域产生明显的温度梯度,使得空化发展和溃灭与等温情况有显著不同。目前对低温空化的研究处于起步阶段,特别是对低温流体空化的热效应和脱落机理相关的数值模拟研究和实验研究还不够透彻。本文构建了基于Realizable k-ε和大涡模拟(LES)湍流模型、Schnerr-Sauer空化模型的数值模拟框架,进行了模型验证,模拟和实验结果吻合较好。另外对Twist-11N水翼扭曲翼型开展三维液氮空化的CFD数值模拟,并通过开/关能量方程,分别模拟热效应情况和等温情况(不考虑热效应)下的液氮空化,探究低温流体的热效应对于空化脱落的回射流机理的影响。结果表明,与相同空化流中的热效应空化相比,等温空化具有较高的脱落频率和较大的片空化长度,说明热效应抑制了空化的发展,同时热效应改变了空化的脱落特性,回射流的影响变小,空化的脱落主要归因于空化和涡流的相互作用。本文搭建了渐缩渐扩管液氮空化实验装置,对三维结构文氏管和二维结构渐缩渐扩管进行了可视化实验,获得了液氮空化的周期性脱落图像,利用热电偶采集到了空化区的温降,分析了热效应对于空化发展的抑制影响,计算得到了热效应无量纲参数,当热效应变大时,空泡溃灭的间隔变短,空化发展受到抑制;利用LDV测量得到了空化区的流速和粒子速度,提供了稀缺的实验数据。靠近壁面的点位测量得到了负的流体速度,且负速度粒子占比和有效粒子数大于靠近流道中心的点位,验证了回射流与滞止点的存在,实验结果与空化脱落的回射流机理及回射流的形成机制相吻合。


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