热效应对低温流体空化流动作用机理研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:identitymatrix
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低温流体由于其独特的热敏性质导致当空化发生时由于汽化潜热的存在造成的空化区温度降低现象不可忽略,因此其空化特性主要是由热效应、空化、涡量三者相互耦合决定的。低温流体广泛应用于航天等各个领域,然而由于其空化流动机理十分复杂,因此本文主要通过数值模拟的方式对低温流体的空化流动机理进行研究,主要内容和结论如下:(1)针对现有的空化模型和湍流模型进行修正,并以Hord的试验水翼试验结果验证修正的准确性,以此为基础探究空化数对液氢绕流NACA 0018翼型时非稳态空化特性的影响。分析发现,不同空化数主要是通过改变蒸发区域的大小来影响液氢的空化特性,但对相间质量传输速率的数值影响较小;随着空化数的减小,液氢的压力脉动频率构成更加复杂;当液氢的远场空化数低于2.05时,液氢才会发生明显的空化脱落现象。(2)以不同攻角的NACA 0018翼型为模型对液氢的空化流动进行了非稳态数值模拟。分析发现攻角的改变不仅能影响液氢蒸发区域面积的大小,还会改变液氢的蒸发速率数值;虽然攻角越大,其涡结构构成更加复杂,但过大的攻角会导致涡结构分布于翼型吸力面上方,而不是贴合翼型分布,不利于脱落现象的发生;不同的攻角下主空化区稳定存在,说明主空化区的稳定存在是液氢绕流NACA 0018翼型的一个通用空化特性。(3)在同一工况下以20°攻角的NACA 0018翼型为模型对液氢、液氧和液氮绕流进行了非稳态计算。分析表明,液氧和液氮的空化特性比较接近,空化区面积远大于液氢的空化区;液氧和液氮的由空化脱落导致的能量损失占整体能量损失的主导地位,但是液氢由于空化区小,非稳态脱落影响区域小,因此其由于空化脱落导致的能量损失对整体能量损失的影响很小;介质的改变不仅通过改变相间质量传输速率、还通过影响蒸发区域面积来影响空化区的发展,其中液氧、液氮的蒸发速率、蒸发区域面积远大于液氢的;液氮和液氧在主空化区之后形成的圆柱形涡结构导致其脱落云团快速进入主流区;不同低温流体介质其脱落云图中都存在空化核心,并且液氮的空化核心消耗速率最低,主要是由一个只和温度、介质有关有量纲数决定的,该值越大,空化核心的消耗速率越小;不同低温流体其热扩散率能较好的预测不同低温介质空化区温度场的变化趋势,热扩散率越大,低温流体空化区的最大温差越小。
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