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考虑热力学效应的空化模型修正及其应用

王铭  
【摘要】:空化是指液体在流动过程中局部压力低于当地饱和蒸汽压而发生汽化的现象。液体汽化吸收汽化潜热,导致汽液两相间形成温度差,这种温差影响汽泡的生成和发展,即空化热力学效应。在液体火箭发动机涡轮泵设计中,由于低温试验开展困难,国内目前仍采用水介质下的常规方法设计和试验,无法准确预测实际流动状态和汽蚀性能。因此掌握水和液氢空化流动数值计算方法,建立液氢与水空化特性间的定性定量关系,对空化仿真技术发展及氢诱导轮设计水平提高具有重要的工程意义和实际应用价值。本文主要以Cervone空化试验数据为依据,以NACA0015翼型为研究对象,在考虑热力学效应条件下研究空不同空化模型在水和液氢空化流动中的适用性以及温度和流动参数对水和液氢空化流动的影响。基于单空泡热平衡和温度边界层傅里叶定律以及基于两相间热平衡和B因子理论分别建立了热力学效应对空泡半径和当地饱和蒸汽压修正的方法。应用CEL语言对CFX软件进行二次开发,对应用最广的Zwart模型进行热力学效应修正。通过对比343.15K水绕NACA0015翼型空化流动计算结果与试验数据,验证了两种修正方法的有效性和一致性。鉴于第一种方法仅适用于空化源项中含有空泡半径变化率的模型,因此本文选择第二种方法开展不同空化模型修正。以NACA0015翼型为研究对象,分析了热力学效应修正的Zwart、Merkle、Kunz、Schnerr-Sauer四种空化模型在水空化流动中的适用性。以Hord液氢试验为依据,以Hord试验翼型为研究对象,在考虑热力学效应条件下,分析了上述四种空化模型在液氢中的适用性,结果表明,仅Kunz模型能够预测液氢空化流动,依据Hord液氢试验数据,修正了Zwart、Merkle、Schnerr-Sauer空化模型经验系数,分析了系数修正Zwart、Merkle、Schnerr-Sauer及原系数Kunz模型在液氢空化流动中差异,并与各模型在水中的适用性进行了对比分析。Merkle空化模型在水空化流动中计算误差最小,且计算效率最高,适用性最强。在液氢空化流动中压力计算误差稍大于Kunz模型但也具有很好地适用性。Kunz模型不适用于水空化流动计算,但在液氢空化流动计算中计算误差最小,计算效率较高,适用性最强。Zwart模型在水空化流动中适用性较强,但在液氢空化流动中过度预测空化程度,计算误差最大,计算效率最低,适用性最差。Schnerr-Sauer模型在水空化流动中计算误差最大且耗时较长,适用性最差,在液氢空化流动中温度计算误差较大,适用性较差。选用在水和液氢空化流动中适用性均较好的Merkle模型,以NACA0015翼型为研究对象,分别开展水和液氢的空化流动计算,分析了温度、流动参数、热力学效应对液氢和水的空化流动影响的差异。结果表明,当温度变化较小时,入口空化数可近似表征流场空化程度,且两介质中各参数随空化数变化规律相似。随流体温度升高,热力学效应增强,且液氢与高温水空化流动更为接近,在空化流动中呈现出更为明显的热力学抑制效应。


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