低溫流體非穩態汽蝕形成機理可視化研究

《低溫流體非穩態汽蝕形成機理可視化研究》是依託浙江大學，由張小斌擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：低溫流體非穩態汽蝕形成機理可視化研究
• 依託單位：浙江大學
• 項目負責人：張小斌
• 項目類別：面上項目

項目摘要

汽蝕現象在流體機械中廣泛存在。由於熱效應不可忽略,低溫流體汽蝕展現了更複雜的熱力學過程。理解熱效應影響對設計液氫/液氧為燃料的火箭推進系統汽蝕部件關係重大。本項目研究低溫流體非穩態汽蝕過程的熱效應特性。測量不同形狀鈍體中液氮汽蝕的溫度和壓力分布，研究邊界條件（汽蝕數）及熱效應對汽蝕強度的動態影響。通過高速攝像機觀察汽蝕形態從片狀汽蝕到雲狀汽蝕的非穩態發展過程，分析其發展規律和尾部再入流引起的汽泡雲與壁面剝離機理。考慮到所謂的完全汽蝕模型基於穩定流動條件得到，本項目結合熱力學Gibbs-Duhem方程和Young-Laplace方程，推導得到氣泡半徑為壓力函式的動態汽蝕模型。並用該汽蝕模型，基於均相流理論及傳輸方程法，結合LES湍流模型，構建低溫流體非穩態汽蝕的數值模型，分析低溫流體在鈍體中的非穩態汽蝕特性。本項目研究有望為誘導輪等火箭系統中更複雜低溫流體汽蝕機械的最佳化設計打下基礎。

結題摘要

汽蝕指液體流動過程中，局部壓力小於飽和壓力而汽化的現象，汽蝕現象在閥門、誘導輪及文氏管等低溫流體機械中廣泛存在。相比於室溫流體，低溫流體汽蝕過程由於熱效應而展現了更複雜的物理機理。 本項目研究低溫流體非穩態汽蝕過程的熱效應特性。測量不同形狀鈍體中液氮汽蝕的溫度和壓力分布，研究邊界條件及熱效應對汽蝕強度的動態影響。通過高速攝像機觀察汽蝕形態非穩態發展過程，分析其發展規律和脫落機理。考慮壓力零階效應推導得到動態汽蝕模型，基於均相流理論及傳輸方程法，結合LES 湍流模型，分析低溫流體在鈍體中的非穩態汽蝕特性。 經過研究，我們成功發展得到了考慮壓力零階效應的動態汽蝕模型(DCM)，基於LES建模了水中水翼和不同幾何結構的類穩態汽蝕特性。計算的壓力以及汽蝕形態等結果，比基於FCM汽蝕模型得到的結果與實驗結果更加吻合。進一步，我們建模了NACA66水翼的非穩態汽蝕特性，獲得了與實驗更一致的汽蝕區氣相體積含量、壓力振幅及頻率等結果，再現了汽蝕區尾部引起汽蝕脫落的反射流流動過程，揭示了尾部壓力振動兩次達到峰值及其對汽蝕脫落的影響機理。 在建模液氫動態汽蝕特性時，我們首次發現了液氫汽蝕尾部“下蛋式”小汽蝕雲高頻脫落模式，這種模式不同於液氮的整體汽蝕脫落模式。除了分析液氫汽蝕脫落頻率、壓力振幅等特性，通過研究液氫可壓縮性、熱效應、反射流以及渦流形態等相互作用，系統揭示了這種下蛋式汽蝕脫落機理。 另外，我們數值分析了液氮等低溫流體在三維水翼等的汽蝕特性，研究不同攻角時的汽蝕動態特性，揭示其熱效應及渦流流態與汽蝕脫落的內在機理。結論是熱效應雖然能抑制汽蝕強度，但促進了汽蝕脫落頻率，在相同流動條件，液氮汽蝕脫落頻率一般大於200Hz，遠大於水的脫落頻率。對液氫，小汽蝕雲脫落模式甚少達到了~1300Hz。另外一個影響是，熱效應影響下的低溫流體汽蝕雲很難覆蓋流向水翼表面一半面積，而水則往往可覆蓋整個水翼表面，變成超汽蝕。 在實驗研究方面，我們研製了一套可視文氏管液氮汽蝕實驗系統，以及一套三維水翼可視液氮汽蝕實驗系統，基於高速攝像機捕獲了汽蝕動態發展過程，測得的汽蝕區動態壓力、溫度及流量等寶貴數據已經用於驗證數值計算結果。 研究成果為進一步研究減小汽蝕影響的低溫流體機械最佳化設計打下了基礎。