本文關(guān)鍵詞：相變對高超聲速流動的影響研究

  更多相關(guān)文章： 燃燒加熱風(fēng)洞 高超聲速流動 凝結(jié) 蒸發(fā) 同質(zhì)成核 理論模型

【摘要】：伴隨相變的兩相流研究最早起源于工業(yè)汽輪機的發(fā)展需要。隨后,一部分空氣動力學(xué)專家開始關(guān)注超音速風(fēng)洞中水蒸氣的凝結(jié)影響問題。這個問題在上個世紀得到了部分解決。近年來,伴隨著燃燒加熱風(fēng)洞技術(shù)的發(fā)展,相變對高超聲速流動影響的研究進入了一個新的階段。在該階段,相變影響的研究與以往研究相比具有不同的特點：風(fēng)洞具有大擴張比和高馬赫數(shù)等特點,風(fēng)洞實驗氣流含有大量水蒸氣和二氧化碳等“污染”組分,并且實驗氣流在膨脹加速過程中必須考慮其高溫氣體效應(yīng)。從研究成果來看,目前僅有少數(shù)的文獻對該領(lǐng)域進行研究,研究內(nèi)容主要圍繞燃燒加熱風(fēng)洞中水蒸氣的凝結(jié)影響研究,并且主要以數(shù)值模擬為主。此外,當風(fēng)洞出口帶液滴的高速實驗氣流經(jīng)過模型表面時,由于液滴蒸發(fā)產(chǎn)生的吸熱效應(yīng)和添質(zhì)效應(yīng)對模型表面的氣動參數(shù)具有很大影響,目前對該方面的研究極少。鑒于以上情況,本文圍繞燃燒加熱風(fēng)洞水蒸氣凝結(jié)影響、高超聲速流動中蒸發(fā)對流動參數(shù)的影響和氮氣凝結(jié)影響等三個方面開展以下研究工作,具體說明如下：首先,構(gòu)建了燃燒加熱風(fēng)洞水蒸氣凝結(jié)影響的理論模型。通過分析燃燒加熱風(fēng)洞水蒸氣凝結(jié)的物理過程,獲得水蒸氣凝結(jié)影響的物理特征。在此基礎(chǔ)上,將該過程解耦為等熵膨脹過程和水蒸氣凝結(jié)過程,并提出了等熵膨脹界面和凝結(jié)界面的概念,通過建立兩個界面前后參數(shù)的關(guān)系式,最后建立并驗證了水蒸氣凝結(jié)影響的理論模型,該模型兼顧了高溫氣體效應(yīng)和水蒸氣相變帶來的加熱及減質(zhì)效應(yīng)。應(yīng)用該理論模型,最終可獲得一種快速評估凝結(jié)對風(fēng)洞出口參數(shù)影響的理論方法。其次,應(yīng)用數(shù)值模擬和理論模型的方法研究高速帶液滴氣流對斜劈表面氣動參數(shù)的影響。數(shù)值模擬結(jié)果表明液滴在激波后區(qū)域蒸發(fā)的弛豫過程與激波強度相關(guān),并影響模型表面氣動參數(shù)的均勻性,其中最大的不均性出現(xiàn)在偏轉(zhuǎn)角處于剛好能使得液滴在整個激波下游區(qū)域蒸發(fā)完全的時刻。根據(jù)液滴蒸發(fā)與激波之間的耦合特征,在此基礎(chǔ)上,將該過程解耦為氣流與激波作用的過程和液滴蒸發(fā)過程,并提出了激波界面和蒸發(fā)界面的概念,通過建立兩個界面前后參數(shù)的關(guān)系式,最后構(gòu)建并驗證了高超聲速流動中液滴蒸發(fā)影響的理論評估模型。最后,發(fā)展并驗證了一套用于評估常規(guī)高超聲速風(fēng)洞中氮氣凝結(jié)的數(shù)值計算程序。根據(jù)近年來數(shù)值方法的發(fā)展和氮氣凝結(jié)模型的最新成果,本文在ASCE2D程序的基礎(chǔ)上,發(fā)展了一套用于評估氯氣凝結(jié)的數(shù)值計算程序。應(yīng)用該程序考察氮氣凝結(jié)對高超聲速風(fēng)洞流場參數(shù)的影響。綜上所述,通過本文的研究,我們可獲得以下有意義的研究成果：構(gòu)建了燃燒加熱風(fēng)洞水蒸氣凝結(jié)影響的理論模型,為評估燃燒加熱風(fēng)洞凝結(jié)影響提供了一種快速評估方法；詳細討論了帶液滴高速氣流經(jīng)過斜劈時蒸發(fā)的物理過程,給出了模型表面氣動參數(shù)最大不均勻性的判斷依據(jù),建立了高超聲速流動中水蒸氣蒸發(fā)影響的理論評估模型；針對常規(guī)高超聲速風(fēng)洞氮氣凝結(jié)影響的問題,發(fā)展了一套用于評估氮氣凝結(jié)的數(shù)值計算程序。
【關(guān)鍵詞】：燃燒加熱風(fēng)洞 高超聲速流動 凝結(jié) 蒸發(fā) 同質(zhì)成核 理論模型
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：V211.74
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-14
• 主要符號對照表14-17
• 第一章 緒論17-25
• 1.1 研究背景17-20
• 1.2 研究現(xiàn)狀20-23
• 1.3 本文安排23-25
• 第二章 物理模型和數(shù)值方法25-33
• 2.1 凝結(jié)模型25-28
• 2.1.1 成核理論25-27
• 2.1.2 液滴增長模型27-28
• 2.2 控制方程28-31
• 2.3 數(shù)值方法31
• 2.4 本章小結(jié)31-33
• 第三章 燃燒加熱風(fēng)洞中水蒸氣凝結(jié)對流動參數(shù)的影響研究33-63
• 3.1 引言33-34
• 3.2 典型燃燒加熱風(fēng)洞運行狀態(tài)的相變影響特征34-36
• 3.3 物理過程簡化與求解思路36-38
• 3.3.1 物理過程簡化36-37
• 3.3.2 模型求解思路37-38
• 3.4 理論模型的建立38-47
• 3.4.1 膨脹過程模型41-43
• 3.4.2 凝結(jié)過程43-47
• 3.4.3 模型求解流程47
• 3.5 理論模型的驗證47-52
• 3.5.1 理論模型與數(shù)值計算結(jié)果驗證48-49
• 3.5.2 凝結(jié)的二維效應(yīng)影響49-50
• 3.5.3 理論模型與文獻結(jié)果驗證50-52
• 3.6 結(jié)果分析與應(yīng)用52-60
• 3.6.1 結(jié)果分析52-57
• 3.6.2 理論模型的應(yīng)用57-59
• 3.6.3 不同特征溫度下的潛熱影響評估59-60
• 3.7 本章小結(jié)60-63
• 第四章 高超聲速流動中蒸發(fā)對流動參數(shù)的影響研究63-91
• 4.1 引言63-64
• 4.2 數(shù)值計算64-65
• 4.2.1 初始條件64-65
• 4.3 結(jié)果與分析65-68
• 4.3.1 相變對斜激波下游流場的影響65-68
• 4.4 理論模型68-79
• 4.4.1 問題的提出68
• 4.4.2 物理過程的解耦68-69
• 4.4.3 理論模型與求解過程69-79
• 4.5 理論模型的驗證79-83
• 4.5.1 初始條件設(shè)置80
• 4.5.2 驗證結(jié)果與分析80-83
• 4.6 模型的應(yīng)用83-85
• 4.7 凝結(jié)與蒸發(fā)的綜合影響85-89
• 4.8 本章小結(jié)89-91
• 第五章 常規(guī)高超聲速風(fēng)洞氮氣凝結(jié)的影響研究91-105
• 5.1 引言91-92
• 5.2 氮氣的物理性質(zhì)92-95
• 5.2.1 飽和蒸汽壓92-94
• 5.2.2 密度94
• 5.2.3 潛熱94-95
• 5.2.4 表面張力95
• 5.3 物理模型及計算方法95-98
• 5.3.1 同質(zhì)凝結(jié)模型95-96
• 5.3.2 熱力學(xué)關(guān)系96-97
• 5.3.3 液滴溫度97-98
• 5.4 數(shù)值方法的驗證98
• 5.5 結(jié)果與討論98-103
• 5.5.1 凝結(jié)的影響98-100
• 5.5.2 參數(shù)研究100-103
• 5.6 本章小結(jié)103-105
• 第六章 結(jié)論與展望105-109
• 6.1 結(jié)論105-106
• 6.2 創(chuàng)新點106-107
• 6.3 工作展望107-109
• 參考文獻109-119
• 第A章 物理性質(zhì)119-123
• 第B章 液滴蒸發(fā)對皮托管測試參數(shù)的影響模型123-133
• 致謝133-135
• 在讀期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與取得的研究成果135

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本文編號：796916