低温诱导轮空化特性数值计算研究

为研究低温诱导轮的空化性能,对液氮诱导轮空化流动进行了数值计算研究.数值计算采用了考虑旋转修正的FBM湍流模型和考虑热力学修正的Singhal空化模型.数值结果与实验进行对比,验证了数值计算方法的准确性.结果表明,随着空化数的降低,诱导轮空化分为无空化、间隙空化以及回流涡空化三个典型阶段.在研究选取的温度区间内（77.5 K≤T≤83 K）,诱导轮不同空化阶段的分界点几乎不随温度变化.随着液氮温度的升高,诱导轮内部空穴体积呈现先增后减的趋势.对诱导轮空化热力学效应进行分析表明,当液氮温度较低时,热力学效应不显著,韦伯数主导着空化的发展;当液氮温度较高时,热力学效应增强,从而抑制了诱导轮内部空化的发展.      

空化热力学效应对相间质量传输过程的影响

为了分析空化热力学效应对相间质量传输过程的影响,应用二次开发技术在商业软件中引入修正的Merkle空化模型及液氮物性参数随流场温度的变化,并在能量方程的源项中考虑了空化的影响,对绕对称回转体液氮空化流动进行了计算.通过将计算结果与实验数据进行对比,对计算方法进行了验证.基于数值计算结果分析了空化热力学效应对质量传输过程的影响.相间质量传输过程包括蒸发和凝结过程.在蒸发过程中,低温流体空化的发展不仅与当地空化数σ有关,且依赖于流场的密度比R(T).随温度升高,液体/蒸汽的密度比梯度(dR/dT)增加,导致蒸发量减小;随温度升高,饱和蒸汽压变化梯度升高,导致蒸发量减小.凝结过程中,随温度升高,(1-φl)值减小,凝结量减小;随温度升高,max(0,Cp+σ)值增大,凝结量增加.     

云状空化流动数值模拟的空化模型评价

为深入了解空化模型对云状空化流动计算的影响,分别采用Kubota,Singhal,Merkle,Kunz四种不同的空化模型对绕水翼的云状空化流动进行了数值模拟,获得了空穴形态和升、阻力等流场动力随时间的变化特性. 通过与实验结果的对比表明,这四种空化模型均可以准确地捕捉云状空化区域的空穴形态和空泡脱落的非定常细节;不同空化模型对计算所得的空穴形态和长度、绕翼型速度矢量场、升阻力均有影响, 但对流场动力特性的主要频谱分布影响不大.     

修正的RNG κ- ε模型在云状空化流动 计算中的应用评价

基于实验结果评价了一种用密度函数修正的RNGκ-ε湍流模型在云状空化流动计算中的应用.采用不同的修正系数,分别计算了绕Clark-y型水翼云状空化流动,获得了随时间变化的空化形态和升、阻力等流场及动力特性.通过与实验结果的对比表明,修正后的模型可以更准确地捕捉云状空化区域的空穴形态和空泡脱落的非定常细节;密度函数中指数n的选取对计算所得的空穴长度和升阻力均有影响,然而对流场动力特性的主要频谱分布影响不明显.     

诱导轮液氧空化热力学效应数值计算研究

为了研究低温介质诱导轮空化热力学效应,采用FBM湍流模型和基于热力学修正的Kubota空化模型,针对常温水和液氧两种介质的诱导轮空化性能进行了数值计算研究.对比数值预测的常温水介质诱导轮扬程性能与实验结果,验证了数值方法的准确性.计算结果表明,相对于常温水,液氧诱导轮的空化受到了抑制.在液氧空化区域液相和汽相发生了强烈的热量交换,使得局部温度下降,进而导致当地饱和蒸气压下降,抑制了空化的发展.针对不同温度下的液氧,提出了一种诱导轮低温空化特性理论预测方法,基于两种温度下诱导轮空化特性曲线预测其他温度的空化特性.理论预测与数值计算结果吻合较好,验证了该理论预测方法的准确性.      

剪切层区域旋涡空化的发生机理

为研究高速水流中旋涡空化的形成机理 ,用高速摄影和录像的方法观察了发生在中空射流阀内部流场的空化现象 ,采用数值模拟的方法计算了阀内部非定常粘性流场。发现流场中空化的产生与流动分离以及所伴随的剪切层区域的非定常旋涡运动有关。旋涡空化水流中有两种空穴 ,即空化泡与空化旋涡。在剪切层非定常旋涡从流动分离点产生的过程中 ,旋涡形成区域的压力进一步降低 ,在空化条件下产生大量的空泡 ,部分空泡被旋涡所包容 ,从而形成空化旋涡     

修正的PANS模型在云状空化流动计算中的应用评价

将考虑空化流动密度变化的密度函数引入PANS模型,基于实验结果评价了这种修正的PANS模型在云状空化流动计算中的应用.分别采用不同的模型控制参数f_k值,计算了绕Clark-Y型水翼云状空化流动,获得了空穴形态的发展历程、升力系数曲线波动情况,并与实验结果进行了对比.结果表明,修正PANS模型继承了标准PANS模型的特点,即随着f_k值的减小,可以获得流场中越来越丰富的多相湍流流动细节,很好地预测绕翼型云状空化流动的非定常特性;修正PANS模型考虑了空化区域气液混合介质对湍流黏性的影响,可以更全面地描述反向射流作用下空穴的断裂及多尺度空泡团的脱落细节,所得翼型升力系数曲线的波动情况更接近于实验值.      

基于实验观测的分域湍流模型在通气超空化中的评价

为建立一种可以准确高效预测通气超空化流动的湍流模型,结合数值计算和实验结果,对绕锥头回转体通气超空化流动特性进行研究.实验采用高速录像观察了通气空化随时间的流场变化;数值计算中,分别应用标准k-ε湍流模型和密度分域的湍流模型计算了绕锥头回转体通气空化流动.其中,密度分域的湍流模型是在实验观测的基础上建立,即在空泡的前端含气量较大的区域应用DCM模型,以体现附着型空穴的可压缩性;在空泡尾部含气量较大的雾状空泡区域应用FBM湍流模型,以捕捉多尺度的空泡涡团结构.研究结果表明:与标准k-ε湍流模型相比,基于密度分域的湍流模型计算的结果与实验观测的现象基本吻合,有效减小了通气空化空泡区域内的湍流黏性,可以捕捉空泡区域内多尺度旋涡结构的演化过程,进而可以准确地预测通气超空化空泡断裂脱落的非定常流动细节.      

绕Hydronautics水翼超空化的发展及其形态特征

为深入了解超空化流动机理,采用高速录像和图像处理技术,观测了绕Hydronautics水翼的超空化流动形态. 结果表明,超空化的发展经历了空穴形成、两相共存和完全发展3个阶段. 空穴开始形成时,空化区域充满了均匀分布的水、汽混合介质,空穴尾部处于不稳定状态;两相共存阶段,临近水翼区域形成透明的纯汽相区,空化区域后部仍是水汽混合的两相区;在完全发展阶段,汽相区已经占据了空化区域的绝大部分,水汽混合区呈窄带状分布,整个流场已基本处于准稳定状态.     

附着空化流动的模型和算法

提出了一种改进的空化模型和算法，同时耦合考虑黏性效应的Navier-Stokes方程求解方法，用数值研究了附着空化流动．提出的空化模型和算法将气相／液相界面作为流动区域的自由界面，并满足当地气相压力进行处理，空化空腔的形状通过迭代计算进行修正得到，不仅考虑了流场的压力分布，而且考虑了气相／液相界面处的压力梯度信息．采用具有试验数据的半球形头部圆柱体空化绕流作为算例，考核了所提出空化模型和算法的网格无关性，并研究了迭代修正格式中松弛因子对算法精度和计算效率的影响特性．研究表明，圆锥形头部圆柱体空化绕流的数值模拟结果与其试验数据吻合良好，证明了所提出的空化模型和算法的可靠性。     

Validation of full cavitation model in cryogenic fluids

Numerical simulation of cavitation in cryogenic fluids is important in improving the stable operation of the propulsion system in liquid-fuel rocket. It also represents a broader class of problems where the fluid is operating close to its critical point and the thermal effects of cavitation are pronounced. The present article focuses on simulating cryogenic cavitation by implementing the “full cavitation model”, coupled with energy equation, in conjunction with iterative update of the real fluid properties at local temperatures. Steady state computations are then conducted on hydrofoil and ogive in liquid nitrogen and hydrogen respectively, based on which we explore the mechanism of cavitation with thermal effects. Comprehensive comparisons between the simulation results and experimental data as well as previous computations by other researchers validate the full cavitation model in cryogenic fluids. The sensitivity of cavity length to cavitation number is also examined. Supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 50706042)     

Modeling cavitation flow of cryogenic fluids with thermodynamic phase-change theory

Cavitation is the formation of vapor bubbles within a liquid where the flow dynamics causes the local static pressure to drop below the vapor pressure. The so-called full cavitation model (FCM) developed by Singhal has been widely used in numerical modeling of the cavitation flow for thermosensible and non-thermosensible fluids. Within the FCM, the bubble size is taken to be equivalent to the maximum possible value to forego the calculation of bubble number density. We developed a new cavitation model by re-calculating the bubble radius in FCM to account for the effects of local pressure. The new model was obtained by combining the thermodynamic phase-change theory and the Young-Laplace equation with the assumption of thermodynamic equilibrium during the cavitation process. The cavitation calculations were performed based on the mathematical framework of the homogeneous equilibrium flow model and the transport-equation-based model for vapor phase mass fraction. The model was validated by modeling the cavitating flow of liquid nitrogen and liquid hydrogen through NASA hydrofoil and Ogive with consideration of the phase-change thermal effects. The temperature and pressure distributions with the new model are found to agree well with data from existing experimental studies, as well as the simulations with the FCM.     

板式相变储换热器的储换热准则

为提高蓄冷系统的功效,建立了分析板式相变储换热器储、换热性能的理论模型,采用温度—相变界面迭代法分析了相变界面和流体温度随时间和位置的变化规律,讨论了当传热流体为气体时,在气体侧加肋片后的强化换热效果,得到了相变界面、蓄冷量和流体温度的量纲一的公式,它们不局限于某一种相变材料或工况,对板式相变储换热器的设计和性能优化具有普适的指导意义。     

低温高速屏蔽泵汽蚀性能的流热耦合分析

针对低温高速屏蔽泵输送易汽化介质时,在流道内容易因温度升高引起介质汽化的问题,考虑温度变化对低温介质热性能参数的影响,采用流热耦合方法对一台液化天然气泵在不同工况下进行了全流场数值模拟.分析了诱导轮的压力分布和汽蚀性能,得到了温度升高最大区域屏蔽套间隙内介质的温度、压力分布以及介质与电机之间的对流换热信息.分析结果表明：高压冷却润滑回路能满足低温高速屏蔽泵输送液化天然气等易汽化介质的要求,整个流道内不会发生汽化现象.     

低温液体-水相际传热模型与数值模拟

研究低温液体-水相际传热问题.分析低温液体与水之间的传热过程及其特性.给出一种处理问题的方法,采用可变网格法追踪低温液体-水相界面的位置,建立了适合于常压及超临界压力下的液-液传热模型.根据传热模型进行了数值计算,得出低温液体温度场分布,确定了低温液体-水相界面的生存距离.计算结果表明,在一定水压和适当的低温液体初始状态下,从低温液体-水相界面形成到完全消失需历经一段距离.     

压扁厚度对压扁型烧结式微热管性能的影响

对不同压扁厚度的压扁型烧结式微热管进行了实验研究,优化了压扁厚度为5 mm(真空腔厚度为3 mm)时微热管的工质量,分析了在相同工质量下压扁厚度对微热管轴向温度分布、极限传输功率、各部分温差和热阻的影响.结果表明:对于比完全充满吸液芯时的充液量略少的工质量,压扁厚度只对极限传输功率略有影响;压扁厚度为5、4、3 mm时,极限传输功率分别为40、50、60 W.而对于比完全充满吸液芯时的充液量略多的工质量,压扁厚度的减少会使微热管性能下降,压扁厚度从5 mm减少至4 mm时,热阻从约0.15℃/W提高至约0.20℃/W,压扁厚度为3mm时,微热管失效.文中还对各种实验结果的原因进行了分析,发现压扁厚度主要是通过改变管内工质的分布状况来影响微热管性能的.     

减阻流体添加碳纳米管后的流动换热特性

提出了一种新型纳米流体的的概念,该纳米流体既有减阻流体的减阻特性,又因为添加了碳纳米管(CNT)而具有很好的的强化换热特性.探索合适的配比组分和配制工艺,试制了带有减阻特性的水基碳纳米管纳米流体(悬浮液),测定了其热物理和流变特性.试验表明,液温对减阻特性和换热特性都有强烈影响;添加CNT前后的减阻流体的减阻性能基本不变,但传热性能明显提高;使用带有减阻特性的纳米流体能够提高强制对流的综合换热特性或进一步提高纳米流体的强化传热特性.