本文采用實驗和數(shù)值計算相結(jié)合的方法針對低溫液氮的空化流動特性進行了研究。本實驗在低溫介質(zhì)空化流動測試平臺中完成,采用高速全流場顯示技術(shù)觀測了溫度為77.6 K的液氮在收縮-擴張管內(nèi)的空穴形態(tài)并同步采集了流量:和空穴內(nèi)部的壓力數(shù)據(jù)。分別采用LES湍流模型和基于密度比修正的DCM湍流模型數(shù)值模擬了液氮的非定�？栈鲃�。實驗結(jié)果表明:液氮空化流動的非定常特性顯著,單次完整地脫落周期約為3 ms,空穴呈現(xiàn)模糊狀且不易潰滅。由于熱力學(xué)效應(yīng)的影響,空穴內(nèi)部的局部壓力低于來流溫度下的飽和蒸汽壓。數(shù)值結(jié)果表明:兩種湍流模型計算得到的時均壓力分布和非定�？昭ㄐ螒B(tài)與實驗結(jié)果吻合良好,均能較好的描述液氮空化流動過程中空穴的形態(tài)和空化變化的準(zhǔn)周期特性。與LES湍流模型結(jié)果相比,DCM湍流模型計算得到的云狀脫落空泡團尺寸較大,空穴界面更加清晰。LES計算得到的空穴形態(tài)比較模糊,與實驗結(jié)果更加接近。 

【文章來源】：工程熱物理學(xué)報. 2019,40(10)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：6 頁

【部分圖文】：

液氮空化流動實驗裝置

１０期??梁文棟等：液氮空化流動的實驗和數(shù)值計燈研究??２３０１??圖２收縮擴張方形管道幾何及傳感器位置示意圖??Ｆｉｇ．?２?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ａｎｄ?ｇｅｏｍｅｔｒｙ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｃｏｎｖｅｒｇｉｎｇ－ｄｉｖｅｒｇｉｎｇ?（Ｃ－Ｄ）?ｓｑｕａｒｅ?ｎｏｚｚｌｅ?ｗｉｔｈ?ｓｅｎｓｏｒ?ｐｏｓｉｔｉｏｎｓ??像的空間分辨率為０．０６２５?ｍｍ／ｐｉｘｅｌ。為了照亮試驗??段同時盡可能減少光源對試驗段的熱輻射，將ＬＥＤ??燈固定在試驗段的后面。??１．２實驗條件??由于收縮擴張方形管道入口和出口處的溫差??較小，因此采用入口溫度和出口溫度的平均值來表??征喉部溫度。喉部速度可以通過渦輪流量計測得的??體積流量根據(jù)連續(xù)性方程計算得到。具體實驗條件??和工況以及測得的空穴內(nèi)部壓力結(jié)果如表１所示。??ｄ（ｐｍＵｊ）?ｄｊｐｍＵｊＵｊ）??ｄｔ?ｄｘｊ??ｄｐ?ｄ?＼．?、?，、??￣ｄ＾?＋?ｄ＾［＾ｍ＋ｆＸｔｕｒ）?（２）??＼ｉ??＼ｄｘｊ?ｄｘｉ?３ｄｘｋ?１３）＿??ｉ?）??（Ｐｍ｛ｈ?＋?／ｖＬｅｖ））?＋??Ｑ??（ｐｍＵｊ（ｈ?Ｈ－?ｆｖＬｅｖ））＝?⑶??表１液氮空化流動的實驗工況及結(jié)果??Ｔａｂｌｅ?１?Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ?ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ?ａｎｄ?ｒｅｓｕｌｔｓ?ｏｆ??ｌｉｑｕｉｄ?ｎｉｔｒｏｇｅｎ?ｃａｖｉｔａｔｉｎｇ?ｆｌｏｗｓ?ｆｏｒ?ｓｐｅｃｉｆｉｃ?ｃａｓｅ??變Ｍ??數(shù)值??喉部溫度ｒｔｈｒ（）ａｔ／Ｋ??７７．６３??空化數(shù)＾??１．４５??雷諾數(shù)Ｈｅ??２．２１ｘ１０ｓ??流量?Ｑ／（Ｌ／ｍｉｎ）??６．９６??入口壓力Ｐｕｐ／ｋＰａ??１

２３０２??工程熱物理學(xué)報??４０卷??１２００００??１１００００??１０００００??管下壁面，并且在附著型空穴尾部呈現(xiàn)小尺度脫落，??呈現(xiàn)典型的云狀空化特征。由于空穴周期性變化，對??喉口流動造成了不同程度的阻塞。并且圖中可以看??出液氮空化形成的空穴非常模糊，有許多細(xì)小的空??泡組成。每個時間間隔都能觀察到脫落下來的小空??泡，圖５實驗圖片中虛線均表示觀察到的脫落云狀??空泡團的變化過程，在３．５?ｍｓ內(nèi)一共觀察到了?２個??類似的云狀空泡團，４時刻到４時刻的藍色實線表??示在附著型空穴底部觀測到的回射流推進過程。??１６００００??１４００００??至于湍流模型，本文采用了陳泰然等１１１１提出??的適用于低溫介質(zhì)的基于密度比修正的ＤＣＭ湍流??模型，ＬＥＳ模型則依據(jù)參考文獻［１２］。??２．３計算區(qū)域和邊界條件??為了得到液氮空化的三維流動細(xì)節(jié)，三維幾何??模型如圖３（ａ）所示，尺寸參照實驗段實際尺寸圖２??確定。其中，計算域的邊界條件如圖３（ｂ）所示。??畚ｉ：［：樓滿Ｐｉ珠??：．??Ｊｉｋｎ??＼??＼??」＼??…壁＊先滑有??????ｆｊ?；??３結(jié)果與討論??圖４中給出了實驗工況下，采用ＬＥＳ和ＤＣＭ數(shù)??值計算得到的時均壓力分布與實驗結(jié)果的對比。數(shù)??值計算的壓力取三個準(zhǔn)周期空化變化的時均壓力。??實驗壓力分別為表１中的Ｐｉ、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５。圖??中可以看出兩種模型計算結(jié)果都與實驗結(jié)果基本一??致。ａ；＜０．１?ｍ時，由于管道的收縮，導(dǎo)致液氮的速度??升高，壓力急劇降低。經(jīng)過喉口時，由于液氮的壓力??低于飽和蒸汽壓，因此經(jīng)過喉口后液氮會發(fā)生空化，??在擴張管

【參考文獻】：
期刊論文
[1]空化水動力學(xué)非定常特性研究進展及展望[J]. 季斌,程懷玉,黃彪,羅先武,彭曉星,龍新平.  力學(xué)進展. 2019(00)
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本文編號：3440861