不同节流装置测量气液两相流的动态特性研究

为了研究文丘里管、多孔孔板和V型内锥3种功能节流式流量计测量得到的气液两相流动态特性,采用高频差压传感器获取不同流型下的动态差压信号,利用AOK时频谱对差压信号进行分析,通过时频谱图研究不同流型下信号的时变特征。通过对典型的泡状流、弹状流、塞状流信号的实验分析表明：文丘里管在塞泡流存在较强的噪声信号,V型内锥在泡状流存在较强的噪声信号。多孔孔板具有很好的降噪效果,且多孔孔板能均衡信号的能量,信号能量分布较均衡。3种节流仪表均能很好地描述两相流定态特性,能够用于两相流流型识别及其它参数测量。     

高焓流动中的可压缩颗粒求解器（第1部分）：考虑多物理效应的点力颗粒两相流理论方程

从含烧蚀颗粒的高超声速边界层到航空发动机燃烧室或火箭发动机燃烧室里的气液、气固两相燃烧等问题，都存在弥散相颗粒调制携带流体的两相耦合物理过程。尽管不可压颗粒两相流的理论、数值工具和实验都比较成熟，但可压缩颗粒两相流与不可压缩的情况是截然不同的。本文首先对可压缩颗粒两相流动力学和热力学进行理论研究，理论分析了经典的可压缩流体动力学和热力学方程，把颗粒动力学对不可压流动的调制理论修正拓展到了可压缩情况，发现了可压缩颗粒两相流特有的动量和能量调制无量纲参数；推导了考虑多物理效应的颗粒动力学方程，并将其与携带流体相的控制方程耦合。研究发现，尽管多物理效应下的颗粒动力学是复杂的，但其影响携带流体相的路径是唯一确定的，即：多物理效应的颗粒动力学仅能通过相间阻力调制携带流体相的动量，通过相间阻力做功和热对流调制携带流体相的能量。     

用双流体模型模拟湍流两相流场

首先针对颗粒浓度在两相流动中的重要性，建立了颗粒体积浓度方程，阐述了颗粒浓度在求解过程中的特点及颗粒体积浓度方程在计算方法中的贯穿。其次计算了沙层上的稀相可压气固两相流、直管内的不同压液固两相流及叶片扩压器中的密相可压力固两相流的流动，发现了颗粒浓度两种截然不同的分布，并验证了用不可压或稀相的模型来计算可压或密相的模型会带来误差，说明了在计算可压密相两相流动时，可压及密相的因素必须考虑到。     

固体发动机喷管内两相流的有限元数值模拟

本文给出了固体发动机喷管内两相流的数值模似。从非守恒型两相流甚本方程出发,采用加权积分技术,导出了离散点的流动物理量的有限元数值计算公式。数值模拟分别与JPL喷管的两相流壁面静压分布测量结果以及与差分法计算结果作了比较,比较结果表明:二者是吻合的。本文还以中型喷管为例,计算了粒子的轨迹,粒子的速度滞后和燃气的温度滞后,计算结果表明;入口粒子冲击角对粒子轨迹有明显的影响。     

极低压下两相流挤压油膜阻尼器油膜参数特性

针对极低供油压力工况开展实验研究,以考察气液两相流对挤压油膜阻尼器(SFD)油膜参数特性的影响。结果表明:当SFD入口气体体积分数小于0.9时,油膜阻尼随着入口气体体积分数的增加而减小,直至气体体积分数增大到0.9时,油膜阻尼是纯油状态时阻尼的60%;当气体体积分数大于0.9时,油膜阻尼大幅减小至几乎可以忽略不计。现有理论模型并不适用于极低供油压力工况。基于实验结果,找到了最符合SFD两相流动的等效黏度模型,其理论预测的油膜阻尼与不同供油压力下的实验数据吻合较好,为SFD两相流研究的模型选择提供了依据。     

突扩回流与大速差射流回流湍流气－固两相流动的数值模拟

本文建立了气－固两相流的多连续介质模型，并分别对突扩回流与大速差射流回流这两种与实际工程应用密切相关的复杂流动条件下的受限湍流气一固两相流动进行了数值模拟。单相湍流回流流场的模拟结果与实验符合良好。两相流动的模拟结果表明，与突扩回流相比，大速差射流回流更有利于实现较高的颗粒浓度与气相回流区及低速尾流区的匹配，增加两相滑移速度，延长颗粒停留时间及强化两相间的混合。     

用二阶矩两相湍流模型模拟鼓泡床内气泡—液体湍流两相流动

建立了二阶矩气液两相湍流模型，模拟了不同工况下二维矩形断面气液鼓泡床中气泡－液体湍流两相流动，给出了气泡和液体的速度场、气泡体积分数和两相雷诺应力分布，基本工况的模拟结果与美国俄亥俄州立大学PIV测量结果符合较好。文中研究了不同气体表观速度对两相流场的影响。模拟结果显示了鼓泡床内液体的回流流动和气泡的上升运动、各向异性的上湍流，气泡湍流脉动比液体的强，以及气泡体积分数和两相湍流强度随着气体表观速度的增大而增大等规律。     

改进的VOF方法对气液两相流振荡流动和传热计算的影响

在VOF(volume of fluid)模型的基础上,引入level set函数,形成CLSVOF(coupled level set volume of fluid)模型对气液两相流的振荡流动和传热过程进行数值模拟,与只采用VOF模型模拟的结果进行对比分析,并与实验结果相比较.结果表明:无论是针对矩形空腔中两相流的振荡流动和传热,还是活塞冷却油腔中机油的振荡冷却过程,采用CLSVOF模型都可以更为准确地模拟气液两相流的振荡流动规律,传热系数计算值也与实验结果保持了更高的一致性.对于活塞冷却油腔中机油的振荡冷却计算,随着转速即雷诺数的增大,传热系数计算值的误差开始增大.在极限转速3000r/min时, CLSVOF模型的误差为3.8%,VOF模型的误差为7.5%, CLSVOF模型的误差增幅稳定在0.6%左右.CLSVOF模型的误差较小且误差增幅稳定,说明其计算准确性更高.      

微粒群容积率对两相流热力和气动参数的影响

本文研究了气——固两相流的微粒群容积率、固相质量此、气——固混合物的比热比之间的关系,并着重地研究了忽略微粒群容积率带来的影响。确定了在什么条件下可以忽略微粒群准流体的分压强对混合物压强的影响。探讨了气——固两相平衡流及冻结流考虑微粒群容积率与否对音速的影响以及其间的数量关系。     

高速来流发动机射流预冷及压气机湿压缩特性一体化分析方法

为了研究高空高速来流条件下发动机射流预冷及压气机湿压缩特性,本文针对发动机进气道部分和压气机部分的气液两相流动过程分别建立相应的计算模型,发展了一体化分析方法。对于进气道喷水后的气液两相流动,采用基于微元段思想的气动效应-蒸发冷却修正两步法建立一维计算模型;对于压气机湿压缩过程,采用基于CFD技术的欧拉-拉格朗日方法对气液两相流动进行建模。利用所建立的一体化分析方法,考虑真实高空高速来流条件,同时保证发动机在喷水前后具有等换算转速调节规律,对发动机射流预冷及压气机湿压缩特性进行分析,结果表明：射流预冷能够显著降低高马赫数来流下的压气机进气温度,使得相同最高物理转速下压气机换算转速提高,使压气机具有更好的气动性能;若液滴在进入压气机前蒸发完全,混入工质中的过量水蒸气会降低压气机的无量纲转速,使得同换算转速下压气机压比较不喷水时降低;小粒径液滴更快的蒸发作用有助于对高温气流的快速降温,当液滴粒径3μm和喷湿量为10%时,压气机进气温度较喷水前降低247.13K,同换算转速下物理转速仅为不喷水时的76%。     

高速滚动轴承喷油润滑油液穿透机理分析

基于空气动力学研究高速滚动轴承环间气流特性,通过建立气相流数学模型和气液两相流数学模型研究润滑油在轴承环间的穿透过程,探究高DN值时润滑油的穿透机理.利用流体体积（VOF）模型对此状态下的空气和润滑油界面进行动态捕捉,以研究润滑油的运动过程、分布特点以及不同参数对环间油液体积分数的影响,得到了高速滚动轴承环间气相流的特性;润滑油在不同转速下进入轴承环间的运动过程;轴承环间气液两相流场的压力、速度特性;轴承环间初始气流场对润滑油进入的影响.结果表明:在轴承小端面靠近内圈附近喷油可以避免湍流对润滑油的影响和干扰,有利于润滑油进入环间;轴承环间存在有利于润滑油贴滚道运动的气流径向作用力,随着转速的增加,该力呈近似线性增加;气流的初始状态影响着轴承环间润滑油的运动状态,润滑油对气流的运动影响较小;较低转速时,轴承环间周向压力变化很小可忽略,较高转速时,其呈现周期性波动,对润滑油进入的影响不可忽视;在较低转速时通过提高喷油体积流量可以有效提高轴承环间油液体积分数,但是高转速时,通过提高喷油体积流量来提高轴承环间的油液体积分数的效果并不明显.      

基于两相流模型的挤压油膜阻尼器空化流场特性数值模拟

基于气液两相流理论中的Mixture模型和Zwart-Gerber-Belamri空化模型,采用动网格技术建立了两端开口中心槽供油型挤压油膜阻尼器三维非定常空化流场求解模型。数值模拟表明:随着阻尼器内环进动,考虑两相流动的油膜低压区在中心槽的两侧产生两道对称的条状负压带,条状带内具有较高的气相体积分数;阻尼器低压区的压力和气相体积分数对进油孔位置十分敏感,阻尼器油膜力和流场气穴比的变化频率与进油孔数密切相关。内环同心进动半径、进动频率对阻尼器空化流场影响的数值计算表明,进动半径和频率的增大均会使得流场内的空化现象加剧,同时气穴比的相位滞后现象愈加显著。      

高温高压超声速气液两相流场数值模拟

采用欧拉-拉格朗日方法对燃气-蒸汽发射动力装置内高温高压超声速燃气中横向喷雾的气液两相流进行了数值模拟研究,气相采用RK(Runge-Kutta)-AUSM+(advection upstream splitting method+)格式求解Navier-Stokes方程,液相应用颗粒轨道模型,两相之间的耦合通过在气相...     

燃烧室轴向和周向长度对气液两相旋转爆轰特性的影响

为了研究旋转爆轰发动机燃烧室轴向和周向长度对气液两相旋转爆轰特性的影响,采用守恒元和求解元(CE/SE)方法对带化学反应的汽油/富氧空气两相旋转爆轰理论模型进行求解,获得了气液两相旋转爆轰流场结构,并分析了燃烧室轴向和周向长度对燃烧室流场、爆轰波传播特性以及发动机推力性能的影响。计算结果表明:轴向长度对燃烧室上游流场影响甚小,却对下游流场参数影响较显著。随着轴向长度增加,燃烧室出口压力、温度、密度以及周向速度均降低,轴向速度则逐渐增大,同时发动机平均推力密度和燃料比冲先增大后减小。当周向长度过短,燃烧室内难以形成自持传播的爆轰波,随着周向长度增加,上游爆轰波强度增加,对应的流场参数均有所增大,但发动机推力性能略有所降低。     

侧载和管径对管内沸腾两相流性能影响实验

为研究飞行过程中侧向载荷对不同管径内沸腾两相流流动和传热的影响,在自行搭建的实验平台上做了多次实验.通过对实验段内流体的压差、雷诺数、孔隙率、热流密度及传热系数等参数数据的处理分析,研究了侧载和管径对管内沸腾两相流性能的影响.结果表明,动载越大,管内压差越大,管外散热越强,流体流量越小,空隙率越低,流体得热的热流密度越低.动载荷加强了单相流的表面传热系数;但对于沸腾两相流有一个先抑制再增强最后削弱的过程.管径对雷诺数、压差、孔隙率、散热能力等也有显著的影响,较小的管径流动阻力较大,而换热能力则有所提升.      

气液同轴喷嘴缩进室动态特性均相流模型

采用频率法对气液同轴喷嘴缩进室内气液两相流动态特性进行了分析.采用均相流模型,在把液相介质参数看作集中参数的条件下讨论了缩进室边界压降振荡对液相质量流量振荡的动态响应.通过对模型喷嘴算例编程进行计算,结果表明:随着扰动频率的增加,缩进室两端压降振荡的振幅增大,压降振荡与液体流量振荡之间的相位差也增大.较小长径比的缩进室以及较小的液体喷嘴质量流量、大气液比和高反压可以抑制缩进室边界压降振荡.      

考虑恒滞差流动的爆震波特性参数计算

在两相脉冲爆震的研究过程中,以恒滞差流动假设为基础,考虑气液两相性来计算爆震波的特性参数。计算结果与实验数据对比表明:考虑气液两相性计算得到的爆震波特性参数更能真实反映两相脉冲爆震的流动情况。     

微重力动态水气分离器性能仿真与理论分析

开展微重力动态水气分离器性能研究,对水气分离技术设计与优化具有重要意义。根据动态水气分离器内部结构和流动形式,建立了基于环状流-库特流假设的理论分析模型,提出了基于界面概率近似方法的欧拉双流体模型描述由流动形态转化造成的混合流多尺度界面,采用多参考系方法处理转动与非转动区域之间的变量交互问题。应用理论分析与仿真两种方法研究动态水气分离器准稳态和瞬态特性的无量纲参数变化规律。结果表明：理论分析与仿真结果具有较强的相互验证关系;准稳态的增压比和能耗特性能提供设计参数选择依据,能效比能确定最佳工作区间;分离阶段瞬态特性与入口流动参数无关,输运阶段瞬态特性与入口流动参数、液路出口阻尼相关;以输运压力作为液路出口电磁阀关闭充分条件可实现液分离效率不受入口流动参数影响。     

高总温空气与汽油燃料的旋转爆震验证试验

为验证高总温空气来流条件下汽油燃料旋转爆震的可行性,开展了气液两相旋转爆震发动机试验研究。旋转爆震发动机环形燃烧室外径和内径分别为202mm和166mm,长度为155mm。通过空气加热器模拟高总温空气来流环境,汽油和空气采用分开喷注的方式,分别通过高压喷嘴和环缝进入燃烧室。试验采用垂直安装的预爆震管成功起爆了旋转爆震波,并实现了旋转爆震波的连续稳定传播。试验结果表明：当空气质量流量为1110.0g/s,当量比为0.97,空气总温为713K时,旋转爆震波以双波对撞模态在燃烧室内连续传播,爆震波传播频率为1827.31Hz,与高频压力信号经快速傅里叶变换得到的主频一致,爆震波传播速度为1059.6m/s。在空气质量流量为1110.0g/s,当量比为0.84,空气总温为713K的工况下进行了3s的长程试验,验证了以高总温空气为氧化剂、汽油为燃料的旋转爆震发动机长时间连续稳定工作的可行性,获得的旋转爆震波传播频率为1907.5Hz。