微型激波管内流体特性的试验研究和数值模拟

摘要

目前，微型激波管已经广泛地应用在各种工业和工程领域，但是微型激波管内部流体的运动特性不为研究者所熟知。与传统的大型激波管相比，微型激波管内部包含激波和交接面运动的流动更加复杂；更强的粘性和耗散使得激波运动与理论预测有很大偏差。由于尺寸影响，激波强度在微型激波管内会产生更多的损失。
　　本文主要研究微型激波管内激波和交接面的运动、激波强度损失以及边界层的影响。目前的数值模拟研究中，对比分析不同隔膜压力比（高压腔与低压腔的初始压力之比）、激波管直径以及壁面滑移和非滑移边界条件对微型激波管内激波、交接面以及流体运动特性的影响。首先，运用压力测量的试验方法研究了控制激波管模型内激波的运动特征，采用高灵敏度的压力传感器来记录激波管内流体压力的变化。然后，在不同的隔膜压力比下，采用纹影显示技术来观察激波管内激波的运动特性。最后，运用数值模拟的方法来分析微型激波管内的流体、激波和交接面的运动特性。数值模拟中，用隐形格式的有限体积法来计算湍流可压缩的纳维-斯托克斯方程。
　　结果显示：随着隔膜压力比的增大，激波和交接面的运动速度逐渐增大；激波在微型激波管内传播时，激波强度逐渐减弱；在低压被驱动腔内压力较低时，观察到厚度较大的边界层，这说明低压影响对微型激波管内的激波以及流体运动会产生一定的能量损失；激波前后流体的压力梯度随着激波运动逐渐减小；交接面在微型激波管内传播时，运动速度逐渐增大； S值可以反映微型激波管内的低压和小尺寸影响。在试验研究中，清楚地观察到隔膜破裂后产生的正激波和支配扩散喷管内启动过程的斜激波系统。随着斜激波发生反射，反射后的激波强度逐渐变弱。在以后的研究中，将会采用粒子图像测速法（PIV）和数值模拟的方法来分析无针注射装置中控制激波管模型内的流体特性，数值模拟结果会与实验结果进行比较。

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第一章 绪论

1.1 课题研究背景和意义

1.2 微型激波管研究的国内外现状

1.3 本文的主要内容

第二章 微型激波管的模型构建和数值模拟方法

2.1 微型激波管理论

2.2 微型激波管几何模型的建立

2.3 微型激波管的数值模拟方法和边界条件

2.4 本章小结

第三章 微型激波管的试验模型与方法

3.1 试验模型的建立

3.2 压力测量

3.3 纹影显示试验

3.4 本章小结

第四章 微型激波管数值模拟结果与分析

4.1 微型激波管内激波位移变化情况

4.2 激波强度损失

4.3 S值的变化情况

4.4 激波与交接面的运动情况

4.5 微型激波管内边界层的研究

4.6 激波前后压力梯度的变化情况

4.7 激波与交接面之间区域雷诺数的变化情况

4.8 低压情况下S值的变化情况

4.9 小直径情况下激波与交接面的运动情况

4.10 不同壁面边界条件的研究

4.11 本章小结

第五章 微型激波管实验研究的结果与分析

5.1微型激波管内压力传感器的压力变化情况

5.2纹影显示试验图像分析

5.3 试验误差分析

5.4本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

致谢

攻读研究生期间发表的论文