基於邊界層流動特性的音速噴嘴測量機理研究

《基於邊界層流動特性的音速噴嘴測量機理研究》是依託天津大學，由丁紅兵擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於邊界層流動特性的音速噴嘴測量機理研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：丁紅兵
• 依託單位：天津大學

項目摘要

音速噴嘴是天然氣和氫氣等清潔能源流量的計量元件和傳遞標準，節能減排的大趨勢要求其在更寬的雷諾數範圍內保持高精度。本項目將圍繞“粘性邊界層”這條主線，分析不同條件下(高雷諾數、低雷諾數和凝結條件)關鍵因素與邊界層的作用機理及演化規律，並提出多參數的流出係數通用關係式。首先建立轉捩模型及粗糙度可調的噴嘴感測器，利用HWA和PIV等測速儀分析粗糙度對轉捩過程的影響，結合pVTt法實驗獲得流量變化規律。其次，建立層流模型和相應的測量感測器，研究小口徑噴嘴流固耦合“熱效應”和非平衡“振動弛豫效應”及其與邊界層作用機理。然後，建立凝結流動兩相湍流模型和凝結研究實驗平台，分析凝結“熱阻塞”和“非穩態”自激振盪現象與邊界層的作用規律，並提出多參數的凝結校正方法。最後，綜合各因素對邊界層影響，提煉通用流量公式，為音速噴嘴精確計量和可靠傳遞提供依據。

結題摘要

本項目以滿足ISO 9300標準結構及加工精度的音速噴嘴為研究對象，為解決“邊界層轉捩機理和湍流特性”問題，研究了巨觀輪廓以及微觀粗糙度對邊界層發展與轉捩特性的影響，獲得了高雷諾數下粗糙度對邊界層發展和轉捩的作用機制。針對熱效應傳熱過程，建立了管壁動態溫度分布採集系統，並利用克里金插值算法獲得了管壁動態溫度分布圖。建立了SST k-w流固耦合傳熱模型，討論了流體在噴嘴內的激波分離形式、準則和管壁溫度分布的不對稱性，並發現噴嘴壁面最低溫度點位於分離點附近。推導獲得了考慮壁面傳熱的熱邊界層相似解，並建立了噴嘴固體內部結構約束膨脹的熱應力與熱應變有限元模型，分析了“熱效應”過程中的熱邊界層和熱應力/位移特性。以上結果有助於氣固兩相流的標定實驗與顆粒流動分析。為解決“兩相凝結現象與粘性邊界層作用機制”問題，針對含濕氣體兩相“凝結”現象，將“亞穩態凝結與邊界層的相互作用”作為研究核心，獲取兩相凝結流動參數，尤其是邊界層分布規律。建立了含濕氣體凝結流動的Eulerian兩相凝結模型，並討論跨音速凝結流動的不穩定性，確定了非穩態振盪的形成條件。通過研究不同自激振盪模式噴嘴喉部邊界層位移厚度的變化，從邊界層的角度分析凝結現象中不同自激振盪模式的質量流量特性。採用Young經典成核率和水滴生長率方程以及Clausius-Clapeyron相平衡方程推導獲得了高壓條件下凝結音速噴嘴非平衡自發凝結Wilson點解析模型，為凝結實驗提供了理論依據。建立了高精度可調溫濕度凝結實驗平台和測量感測器陣列，研究了凝結自激振盪穩態和非穩態特性，為實現高精度流量測量奠定良好基礎。