低温流体热分层及空化流动特性研究

摘要

液氢液氧等低温流体作为火箭发动机的液态燃料在贮罐内的储存与排放过程中会出现热分层，造成贮罐压力明显上升，不但会影响流体的排放品质，也会给贮罐的排放工作带来潜在危险。另外，流体在管道内的高速输送过程中容易出现空化，这会对输送管道造成严重的破坏。因此研究低温流体在排放过程的温度分布特性以及空化流动现象，对增强其应用的安全性以及提高以低温液体作为燃料的能源动力装置的性能具有十分重要的意义。本文针对小型卧式贮罐电加热增压排放过程的热分层现象以及低温流体流经弯管时的空化问题进行了数值研究，主要工作内容如下:
　　(1)针对小型卧式贮罐的电加热排放问题，建立了二维贮罐模型，以液氧为研究工质进行了数值模拟，得到其流场和温度场的分布情况，通过分析贮罐内部温度场的分布特性发现，加热器的存在会对热分层的发展具有明显的抑制效果。
　　(2)以Rayleigh-Plesset气泡方程作为推导基础，考虑相变过程的热力效应，通过求解相间的能量扩散方程和气泡平衡方程得到了热力学效应项的表达式，建立了考虑热力学效应项的低温空化修正模型，对比分析了热力学效应对低温空化的影响。
　　(3)以圆形弯管作为研究模型，对液氢流经弯管时的空化现象进行了数值仿真，得到空穴形态分布云图、空穴内部的温度以及压力变化规律、空穴长度随着入口速度和出口压力变化的曲线图，分析了入口速度、出口压力对液氢空化的影响；模拟了不同湍流粘度比条件下的空化情况，分析了湍流粘度比对空化热力效应的影响；通过改变弯管角度方法进行了多组对比模拟，分析了弯管的弯曲角度对空化的影响，研究结果表明：在管内流动状态达到稳定前，入口速度和出口压力对空化过程的影响比较明显，入口速度增大或者出口压力降低都会使空化过程得到增强；湍流粘度比的变化对空化的影响很小，但会对空化热力过程造成一定的影响；弯管角度越小，空化越容易产生，空化发展的程度也越完全。

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1 绪论

1.1研究背景

1.2低温贮罐增压排放研究现状

1.3低温空化研究现状

1.4本文主要研究内容

2 低温流体排放与空化的理论分析

2.1基本控制方程

2.2湍流模型分析

2.3低温物性研究

2.4空化模型

2.5本章小结

3 贮罐电加热增压排放过程的热分层数值模拟

3.1贮罐物理模型

3.2数值计算方法

3.3数值计算结果及分析

3.4本章小结

4 液氢空化流动特性数值模拟

4.1 弯管物理模型

4.2 空化数值计算

4.3等温与非等温工况的对比分析

4.4 边界条件对空化的影响

4.5弯管角度对空化的影响

4.6本章小结

5 总结与展望

5.1总结

5.2展望

致谢

参考文献

附录1 攻读硕士期间发表及撰写的学术论文及其他成果