《大空間近Ma數橫流中液氮相變噴霧傳熱傳質機理研究》是依託西安交通大學，由劉秀芳擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：大空間近Ma數橫流中液氮相變噴霧傳熱傳質機理研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：劉秀芳
- 依託單位：西安交通大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
為解決低溫風洞中液氮相變噴霧降溫的關鍵問題，針對大空間近Ma數橫流中液氮相變噴霧傳熱傳質機理進行研究。基於非平衡相變核化過程分析和氣液兩相流離散發展模型，開展單噴嘴霧場的瞬態液滴生成、發展特性研究，探索高速橫流作用下液氮相變噴射霧化機理。進一步考慮噴嘴陣列多股流干涉作用對液滴碰撞及新液滴形成、發展過程的影響，揭示噴嘴陣列干涉流中的液滴碰撞及聚並/破碎現象。在此基礎上， 建立大溫差條件下微液滴表面流動及傳熱傳質耦合模型，最終獲得大空間近Ma數橫流氣流中液氮的霧化相變、摻混發展、傳熱傳質特性的理論描述。開展單噴嘴/噴嘴陣列液氮相變噴霧霧化特性及換熱特性實驗研究，驗證理論分析及數值模型的正確性。本項目旨在通過理論與實驗研究，揭示大空間近Ma數橫流中大溫差條件下液氮相變噴霧霧化機理、噴嘴陣列多股流干涉機理及霧化液滴群傳熱傳質機理，為解決大型低溫風洞液氮噴霧降溫關鍵問題提供重要的理論與實驗依據。
結題摘要
利用液氮液滴汽化時產生的吸熱效應實現風洞的降溫是提高大型風洞試驗Re數的最佳途徑，為了解決低溫風洞中液氮相變噴霧降溫的關鍵問題，本項目開展了如下工作：(1)以經典蒸發模型為基礎，根據風洞的實際運行工況加以修正，建立了高速氣流環境中單個氮液滴的蒸發模型，獲得在蒸發過程中液滴直徑、速度、蒸發速率等參數的變化規律，揭示了大溫差高速氣流作用下液氮液滴高強度傳熱傳質機理；(2) 基於流體體積法（VOF）建立了液氮液滴的碰撞模型，對液氮液滴在高速氣流下的碰撞聚並/碰撞破碎過程進行了數值模擬，獲得液滴初始直徑、韋伯數、碰撞參數對碰撞過程中液滴形態及氣隙壓力的影響規律；(3) 基於多相流mixture模型以及空化和蒸發冷凝模型，建立了噴嘴內部液氮空化流動特性的理論模型，揭示了噴嘴內部液氮空化特性及其對噴嘴流量特性的影響；(4) 以噴嘴內部流動特性模擬結果為輸入條件，開展了單噴嘴及噴嘴陣列霧化特性及降溫特性數值模擬，揭示了噴嘴陣列多股流相互作用對霧化特性及氣流降溫特性的影響，從而提出合理的噴嘴陣列最佳化布置方案; (5) 設計並搭建了開式液氮噴霧實驗系統，採用高速攝影系統、低溫質量流量計、馬爾文粒度儀測得不同工況下液氮相變噴霧巨觀特性（噴霧角、流量特性）及微觀特性（液滴平均粒徑分布），驗證了噴嘴內部空化模型及噴嘴下游霧化模型的準確性；(6) 設計並搭建了模擬風洞迴路液氮噴霧實驗系統，開展了液氮噴霧瞬態降溫特性和穩態降溫特性實驗研究，驗證了高速氣流中大溫差條件下霧化液滴群傳熱傳質模型的準確性，為大型低溫風洞中大流量液氮相變噴霧整體降溫性能的評估奠定了理論基礎。基於上述研究工作，實現了大空間高速氣流中液氮工質相變霧化、碰撞聚並/破碎、大溫差傳熱傳質特性的完整理論描述，並獲得了大流量低溫工質相變霧化特性及大空間降溫特性的實驗數據，為解決大型低溫風洞液氮噴霧降溫關鍵問題提供重要的理論與實驗依據。
