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基于活塞式无膜激波管的激波后方相变传热研究

张明元  
【摘要】:在自然界中,激波后方气体的凝结或者蒸发等相变现象时有发生。在低温条件下,气体的音速会降低从而提高了该气体的马赫数,这更利于激波的形成。激波后方的低温相变现象会对机械带来一系列的安全问题,会对叶片表面产生侵蚀,也会导致振动的发生,甚至破坏机械本体。因此,对于激波后方相变传热的研究极具有工程应用价值和科研价值。本文对传统的隔膜式激波管进行了改进,设计了一款活塞式无膜激波管,用两个活塞的关联连续运动来代替隔膜式激波管的破膜过程。此激波管在产生激波的过程中无需以破膜的方式产生激波,这避免了由于膜破裂时产生的膜碎片污染激波管,也避免了更换隔膜时打开激波管导致水蒸气流入激波管的观测段,减小研究激波后方相变传热实验的误差。实验过程中保持激波管密闭并随时抽真空可以有效地提高实验效率。在此激波管的观测段上方加装冷却装置,外侧加装绝热装置,使其可以进行在温度180K-240K范围内的低温实验,并通过压电传感器与温度传感器记录实验数据。本文通过得出的实验值与经过Rankine-Hugoniot方程计算所获得的理论值作对比,进行激波管的特性验证。获得良好特性验证后,使用氮气作为驱动气体、HFC-134a气体作为被驱动气体来对激波后方的相变传热进行研究。由于加装冷却装置以及绝热装置,所选择的高沸点被驱动气体会在激波后方会发生凝结,激波管内壁上便会有液膜产生。同时设计了激波可视化系统与光学干涉系统,两系统可以同步工作。通过基于He-Ne激光束多次反射的光学干涉方法来测量随时间变化的凝结液膜厚度,通过光学干涉系统所获得的信号由示波器记录,然后根据所捕捉的信息来计算液膜厚度,同时也可以计算在激波后方产生液膜的传热物理量,并能够通过激波可视化系统得到同步的激波图像以观察激波在不同时间点的状态。结果表明:活塞式无膜激波管具有良好性能,实验值与Rankine-Hugoniot理论曲线值具有较好的一致性,并结合激波可视化图像判断此激波管可以为激波后方的相变传热等实验提供可靠数据。通过激波可视化系统,可以观察到激波各阶段的形状,并观察到反射激波的激波分叉现象。通过He-Ne激光束光学干涉系统,发现在特定条件下入射激波和反射激波的后方均会在激波管的内壁上产生液膜,且反射激波后方液膜的生长速率小于入射激波后方液膜的生长速率。


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