音速噴嘴邊界層發(fā)展及凝結現象研究Boundary Layer Development andVapor.pdf

1、音速噴嘴目前已被廣泛應用于石油、化工、節(jié)能、環(huán)保、航空和航天等領域?？芍苯佑糜谔烊粴?、氫氣、蒸汽、空氣等氣體的流量測量，亦可作為氣體流量的傳遞標準。在節(jié)能減排的大背景下，迫切地需要音速噴嘴在更寬的雷諾數和壓力范圍上保持較高精度和穩(wěn)定性，本文以音速噴嘴最為重要的性能參數——流出系數Cd為研究對象，圍繞噴嘴邊界層發(fā)展以及凝結現象進行了深入研究，旨在推動音速噴嘴計量水平的提高。主要研究工作與所形成的成果及結論如下：
　　1.研究了真實氣

2、體的實際臨界流函數Cr*。以標準氫為例，提出了基于焓熵關系及Helmholtz自由能的真實氫氣Cr*解析模型。采用牛頓迭代法求解并以數據表的形式給出在150 K≤T0≤600 K和p0≤100 MPa范圍內的Cr*值。提出了基于進化思想的回歸算法，獲得了Cr*回歸模型。再結合多維特性和邊界層理論，給出了真實氫氣的質量流量理論公式，并用Morioka高壓氫氣實驗數據加以驗證，成功地將音速噴嘴應用到氫能領域。
　　2.在高雷諾數區(qū)，提

3、出了考慮粗糙度的流出系數近似解法。建立了基于k-ε湍流模型以及壁面函數法的CFD模型。綜合分析了粗糙度對流出系數的作用規(guī)律。發(fā)現在粗糙過渡區(qū)流出系數Cd開始逐漸降低，而在完全粗糙區(qū)，Cd不再隨雷諾數Red發(fā)生變化。此外，還發(fā)現粗糙度影響與噴嘴曲率半徑Rc和氣體比熱容比γ呈正相關。最后建立了真實氣體CFD模型，分析了高壓條件下粗糙度對Cd的影響，發(fā)現真實氣體粗糙度規(guī)律明顯偏離于理想條件，并用比熱容比?加以解釋。
　　3.在低雷諾數區(qū)

4、，從非粘性多維流動和層流邊界層角度，證明了擴散段影響噴嘴流量的內在原因是邊界層與核心流場的相互作用，并給出了擴散段對噴嘴流場及流出系數的影響趨勢。結合CFD數值模擬和實驗數據分析了擴散段影響。發(fā)現擴散段的影響區(qū)域主要在低雷諾數區(qū)，當擴散角θ=1°、2.5°和6°時，流出系數受影響的雷諾數上限Reθ分別為2.0×104、1.1×104和2.8×103。最后提出了“等效臨界流”的概念，用來提取真實喉部的狀態(tài)信息。
　　4.在低雷諾數區(qū)

5、，分析了“熱效應”現象的產生機理。利用熱電偶測量了噴嘴管壁溫度動態(tài)變化，證明了壁面溫降真實存在，實驗最大溫降達13℃。提出了噴嘴層流熱邊界層相似性解，并與CFD結果進行對比。結果表明，流出系數與氣體比熱容比γ、噴嘴管壁和入口溫度之比Tw/T0以及雷諾數Red有關。利用相似性解獲得了當γ=1.4時管壁溫度變化造成的流出系數變化率。實驗對比發(fā)現：管壁溫度每降低10 K，流出系數變化超過0.2％，需要引起重視。
　　5.提出了適用于低壓

6、和高壓條件的音速噴嘴自發(fā)凝結流動的Wilson點解析表達式。只需用戶提供噴嘴的幾何尺寸、入口溫度T0、壓力p0和相對濕度Φ0，即可快速準確地獲得Wilson點位置及相應狀態(tài)。對比解析結果與實驗數據，驗證了該解析方法的精確度及可靠性。研究發(fā)現：隨著噴嘴喉徑d和曲率半徑Rc的增大，雖然Wilson點絕對位置X變大，但對應的無量綱截面積A0卻逐漸變小，因此Wilson點的膨脹率系數kp、過冷度?T和馬赫數M等參數均降低。另一方面，隨著入口過熱

7、度DT的增大，Wilson點向出口移動，無論是X還是A0均增大。
　　6.從“瑞利流”角度出發(fā)，分析噴嘴凝結流動出現“熱阻塞”和“非穩(wěn)態(tài)自激振蕩”的條件與原因。建立了音速噴嘴中含濕氣體自發(fā)和非自發(fā)凝結流動的Eulerian雙流體多維模型，從定常流動角度分析凝結對ISO類音速噴嘴流量的影響。CFD結果表明當相對濕度Φ0=95%時，自發(fā)凝結引起流量變化為-0.275%，這與實驗一致。另外，當Φ0較小時，可以從非自發(fā)凝結角度加以解釋。分