空气中逸散水蒸汽流动传热及相变过程的行为研究

摘要

舰载机弹射起飞作为现代航母战斗群组成的重要一个环节，因此弹射装置成为了各个国家争先研究的内容，而目前主流的弹射技术为蒸汽弹射，国外对蒸汽弹射技术掌握的较为成熟，而中国对蒸汽弹射装置研究的起步时间较为落后，因此在蒸汽弹射方面的研究试验也存在一些问题有待解决。在气缸顶部的缝隙中逸散出来的高温高压高速的水蒸汽，由于飞机发动机入口压力很低，水蒸汽会被吸入到发动机内。被吸入发动机的水蒸汽可能会凝结为液态水，这样会对发动机产生非常不利的“喘振”现象，影响发动机的性能和寿命，严重的会使发动机临时停车。 本文主要以航母舰载机蒸汽弹射器为研究背景，以弹射器气缸缝隙至发动机吸气口这一空间为研究对象，以水蒸汽的流动传热及相变过程为研究内容，以FLUENT数值计算和UDF自定义编程为研究手段，以发动机的进气量和空中的凝结水量的分布为研究目标，对“空气中逸散水蒸汽流动传热及相变过程的行为研究”这一课题进行深入的分析与研究。 利用Eulerian-Eulerian模型加入质量传递、能量传递和动量传递方程来实现水蒸汽流动过程中传热传质问题的研究;在质量传递模型中加入液滴成核和生长理论模型，研究水蒸汽的凝结过程;在物质属性中加入水和水蒸汽的热力学物性参数计算模型，使计算结果更为真实可靠。 通过研究得出结论如下: 1)通过比较分析，密度和动力粘度总体上呈现随温度增加而下降的趋势，而定压比热，导热系数和声速总体上呈现随温度增加而先增加后下降的趋势。 2)气缸中逸散水蒸汽与来流空气混合被吸入发动机内，另一部分会继续向右侧流动，在飞机尾部形成涡旋流动，剩余的气体从出口流出。 3)随着空气向右流动，水蒸汽温度会下降，空气温度会上升，在这段时间内会有液态水凝结。在流动过程中空气-水蒸汽-液态水三流体混合，温度逐渐趋于一致。而流经飞机尾部时，由于气流的运动会在尾部区域形成一个涡旋结构，在涡旋中心的空气温度仅为308.7K，低于周围的流体温度。 4)随着发动机入口压力的降低，发动机对水蒸汽的吸入量逐渐增加。当压力达到-90000Pa时，水蒸汽已经完全被吸入到发动机内。 5)随着空气来流速度的增加，水蒸汽的吸入量也会呈现先增加后下降的趋势，当速度达到10m/s时，水蒸汽吸入量达到最高值3.15kg/s。空气的速度从15m/s增加到25m/s这一区间内，对发动机入口处的水蒸汽进气量影响较大，空气流速继续加大，水蒸汽吸入量急剧下降，最终吸入量可忽略不计，因此，当飞机达到一定速度后，水蒸汽对发动机的影响很小。 6)随着蒸汽流速的增加，发动机对空气的吸入量整体上呈现逐渐减少的趋势，但蒸汽流速对空气的进气量影响不是十分明显。蒸汽流速较低时，几乎全部为空气，随着蒸汽流速的提高，水蒸汽进气量上升，空气所占比例有所下降，但仍然是主导地位。 7)随着发动机入口压力的降低，凝结水量呈现先增加后减少的趋势，并在-50000Pa时达到最大值。水蒸汽的凝结量随温度的升高而下降，当温度达到140～150℃时，凝结量近似一致。随着水蒸汽出口流速的增加，水蒸汽在空气中的凝结量也会随之增加，当水蒸汽流速到达30m/s后，其凝结量基本稳定在0.001kg/s左右。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1课题研究背景及意义

1．2蒸汽弹射装置的介绍

1．2．1．蒸汽弹射装置的原理

1．2．2蒸汽弹射装置的结构

1．3国内外研究概况

1．3．1国外研究概况

1．3．2国内研究概况

1．4本课题主要研究内容

第2章水和水蒸汽的热力学性质计算模型

2．1 IAPWS-IF97公式简介

2．2水和水蒸汽的基本方程

2．2．1区域1的基本方程

2．2．2区域2的基本方程

2．2．3区域3的基本方程

2．2．1区域4的基本方程

2．2．5区域5的基本方程

2．2．6区域2与区域3边界的基本方程

2．3水和水蒸汽的UDF计算模型

2．3．1水和蒸汽的密度

2．3．2水和蒸汽的比内能

2．3．3水和蒸汽的比熵

2．3．4水和蒸汽的比焓

2．3．5水和蒸汽的定压比热

2．3．6水和蒸汽的定容比热

2．3．7水和蒸汽的声速

2．3．8水和蒸汽的动力粘度

2．2．9水和蒸汽的导热系数

2．4计算结果与分析

3．1成核理论

3．1．1液滴表面张力及自由能

3．1．2蒸汽凝结过程中的熵变

3．1．3水蒸汽凝结时的自由能障

3．1．4水蒸气的形核经典理论公式

3．2液滴生长理论

3．3水珠生长率

3．3．1水珠生长率基本方程

3．3．2分子动力论公式

3．3．3低压气体公式

3．3．4过饱和蒸汽中较大水珠的模型公式

3．4水珠与蒸汽间的传质及传热

3．4．1凝结过程中的传质模型

3．4．2水珠内部温度与闪蒸

3．4．3传热系数及动力粘度系数

3．4．4湿蒸汽中的热滞性

3．5液滴的形成过程

第4章水蒸汽逸散过程的数值模拟

4．1数值计算方法

4．1．1 Fluent中多相流模型概述

4．1．2基本假设

4．1．3求解方法

4．1．4边界条件

4．1．5技术路线

4．1．6文献验证

4．2数学模型

4．2．1流动数学模型

4．2．2湍流模型

4．2．3相间阻力模型

4．2．4相间升力模型

4．2．5水蒸汽凝结模型

4．2．6相间传热模型

4．2．7水和水蒸汽的热力学物性参数计算模型

4．3结果与分析

4．3．1流场分布

4．3．2温度场分布

4．3．3组分分布

4．3．4发动机的进气量

4．3．5凝结水量

5．1结论

5．2展望

参考文献

致谢

附录