本文關鍵詞：0.6米激波風洞馬赫數(shù)8噴管設計及數(shù)值計算

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【摘要】：激波風洞是開展高超聲速空氣動力實驗的重要設備,廣泛應用于高馬赫數(shù)和高雷諾數(shù)條件下的氣動力/熱實驗研究。高超聲速噴管是形成激波風洞實驗流場的關鍵部件,決定著實驗氣流的品質。本文在0.6米激波風洞試驗平臺改造的背景需求下,開展了馬赫數(shù)8噴管設計與數(shù)值計算研究,為擴展該風洞馬赫數(shù)運行范圍和改善流場品質提供支持。主要研究內容包括:(1)采用特征線理論加邊界層修正的方法設計了馬赫數(shù)8噴管型線。噴管膨脹段的型線設計基于Sivells方法,壁面邊界層修正基于Edenfield方法,在這兩種方法基礎上,根據(jù)激波風洞高總溫、高總壓的運行特點,考慮了氣體非完全效應的影響。噴管收縮段型線設計采用移軸的維托辛斯基(Witoszynski)公式。整個設計過程采用Fortran語言編程實現(xiàn)。(2)為檢驗所設計噴管的內流場均勻性和出口流場品質,使用CFD軟件在設計工況下對噴管流場進行了數(shù)值模擬。對CFD計算中所選用的氣體模型、湍流模型等具體方法,利用激波風洞現(xiàn)有噴管的實驗校測數(shù)據(jù)進行了可靠性驗證。CFD計算結果表明,噴管內氣流膨脹均勻,出口馬赫數(shù)達到設計值,出口流場品質優(yōu)于激波風洞流場品質標準的要求。(3)結合噴管加工、裝配以及在風洞中實際使用情況,針對噴管壁面容易出現(xiàn)的缺陷特征進行了CFD數(shù)值模擬,分析了管壁缺陷對噴管流場品質的影響。本文考慮了兩類缺陷,一是需要經(jīng)常更換的噴管喉道段與下游噴管的之間容易出現(xiàn)的順向或逆向臺階,二是噴管分段加工再組裝以后在連接處存在的微小凹槽。CFD計算結果表明,喉道段末端臺階形成的干擾,對噴管的內流場均勻性和出口流場品質影響較大,這種臺階在工程實際中應特別注意;噴管分段連接處的微小凹槽,在一般的工藝控制條件下,其擾動的影響范圍較小,不會損害噴管的整體流場品質。
【關鍵詞】：高超聲速 噴管設計 特征線法 非完全氣體效應 數(shù)值模擬
【學位授予單位】：重慶大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：V211.74
【目錄】：

• 中文摘要3-4
• 英文摘要4-8
• 1 緒論8-14
• 1.1 選題背景與課題來源8
• 1.2 國內外發(fā)展與研究現(xiàn)狀8-12
• 1.2.1 激波風洞8-10
• 1.2.2 超聲速/高超聲速噴管及其設計方法10-12
• 1.3 本文的主要工作12-14
• 2 0.6 米激波風洞及其噴管14-18
• 2.1 風洞結構與運行原理14-15
• 2.2 激波風洞噴管15-16
• 2.3 本章小結16-18
• 3 噴管型線設計18-46
• 3.1 完全氣體的噴管流動18-19
• 3.2 非完全氣體的噴管流動19-24
• 3.2.1 真實氣體的狀態(tài)方程19-20
• 3.2.2 氣體的比熱和比熱比20-24
• 3.3 噴管設計狀態(tài)選取24-25
• 3.4 噴管收縮段型線設計25-28
• 3.5 噴管膨脹段型線設計28-38
• 3.5.1 Sivells方法的基本原理28-29
• 3.5.2 喉道跨聲速區(qū)流動的近似解29-32
• 3.5.3 源流區(qū)流動參數(shù)32-33
• 3.5.4 噴管軸線馬赫數(shù)或速度系數(shù)分布33-34
• 3.5.5 求解噴管流動的特征線方法34-37
• 3.5.6 求解壁面點的流量積分方法37-38
• 3.5.7 非完全氣體效應修正方法38
• 3.6 噴管壁面邊界層修正38-41
• 3.6.1 理論方法39-40
• 3.6.2 經(jīng)驗方法40-41
• 3.7 噴管型線設計結果41-43
• 3.7.1 設計參數(shù)的選擇與優(yōu)化41-43
• 3.7.2 噴管型線設計結果43
• 3.8 本章小結43-46
• 4 噴管流場CFD計算校核46-60
• 4.1 引言46
• 4.2 控制方程46-47
• 4.3 氣體的熱力學屬性47-48
• 4.4 湍流模型48-50
• 4.5 幾何模型與網(wǎng)格劃分50-52
• 4.6 邊界條件52
• 4.7 初始條件52-53
• 4.8 CFD方法的可靠性驗證53-54
• 4.9 設計噴管的數(shù)值計算結果54-58
• 4.9.1 無粘型線的流場計算結果55-56
• 4.9.2 粘性型線的流場計算結果56-58
• 4.10 噴管長度優(yōu)化58-59
• 4.11本章小結59-60
• 5 噴管壁面缺陷對流場品質的影響60-70
• 5.1 引言60
• 5.2 壁面缺陷特征的幾何模型與網(wǎng)格劃分60-61
• 5.3 喉道段末端順向臺階的影響61-63
• 5.4 喉道段末端逆向臺階的影響63-66
• 5.5 噴管分段連接處凹槽的影響66-68
• 5.6 本章小結68-70
• 6 結論及展望70-72
• 6.1 論文工作及主要結論70
• 6.2 后續(xù)工作展望70-72
• 致謝72-74
• 參考文獻74-78
• 附錄78
• A. 作者在攻讀學位期間發(fā)表的論文目錄：78
• B. 作者在攻讀學位期間取得的科研成果目錄：78

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本文編號：1077706