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蒸汽引射系统凝结流动过程数值研究

作　者: 刘泽军
导　师: 胡小平
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 工程热物理
关键词: 超声速环型蒸汽引射器湿蒸汽凝结流动过冷度引射系数数值模拟
分类号: V434.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 43次
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内容摘要

本文以某型上面级液体火箭发动机地面试车引射系统为研究对象,对该引射系统中的超声速环型蒸汽引射器进行了研究。首先根据一维设计理论,在没有考虑蒸汽流动过程中的凝结的条件下,得到了引射器性能的变化规律。接着建立了湿蒸汽凝结流动数值模型,并利用经典实验的结果对该模型进行了数值校验,验证了数值模型的可信度和准确性。随后对超声速环型蒸汽引射器进行了大量的数值仿真计算,得到了不同状态下凝结流场的结构,并且提出了提高引射能力的方法。最后简单讨论了超声速环型蒸汽引射器的启动特性。本文的研究工作完成了如下的主要内容:1、利用引射器的一维设计理论,编写了计算引射器性能参数的程序,探讨了在未考虑蒸汽凝结时工作参数和结构参数变化对超声速引射器性能的影响。计算结果表明:采用较高的引射马赫数、较小的引射系数和喷嘴出口气流方向角,有利于提高引射能力。混合室压缩比Em对引射器的性能有重大影响,在引射器设计过程中应慎重考虑。2、建立了湿蒸汽凝结流动模型,模型的计算结果与C. A. Moses和G. D. Stein实验,以及M. J. Moore实验的数据基本吻合,从而验证了模型的可信度和准确性。3、利用湿蒸汽凝结流动模型对超声速环型蒸汽引射器进行了大量的数值计算。结果表明:引射喷嘴流场由于蒸汽的凝结,使得出口马赫数下降,静压和静温有所提高。采用较低的引射总压和较高的引射总温,可以减少蒸汽的凝结量,提高引射能力;蒸汽的凝结使得引射系数下降,并且引射系数越小,下降的幅度越大。适当地减小收敛比?、面积比?和增大二次喉道的长径比l d ,可以提高总压恢复系数,改善引射器性能。增大引射喷嘴入口蒸汽的过热度,也可以使启动压强降低。

全文目录

摘要  10-11
Abstract  11-13
第一章绪论  13-22
  1.1 研究工作的背景及意义  13-14
  1.2 引射器的相关研究和发展现状  14-15
  1.3 蒸汽凝结流动的相关研究和发展现状  15-19
    1.3.1 湿蒸汽两相流概述  15-16
    1.3.2 湿蒸汽凝结流动理论研究  16-17
    1.3.3 湿蒸汽凝结流动数值计算研究  17-19
  1.4 蒸汽引射系统凝结流动的相关研究  19-20
  1.5 论文的主要工作内容  20-22
第二章蒸汽引射器的一维设计理论  22-34
  2.1 引言  22-23
  2.2 超声速引射器一维设计理论  23-29
    2.2.1 混合室控制方程  24-27
    2.2.2 二次喉道和扩张段控制方程  27-28
    2.2.3 雍塞状态  28-29
  2.3 蒸汽引射器性能分析  29-33
    2.3.1 最优增压比的确定  29-31
    2.3.2 引射马赫数和进气角的影响  31-32
    2.3.3 被引射马赫的影响  32
    2.3.4 引射系数的影响  32-33
  2.4 小结  33-34
第三章湿蒸汽两相凝结流动的数值模型  34-41
  3.1 引言  34
  3.2 数值模型  34-35
  3.3 控制方程  35-40
    3.3.1 气相控制方程  35-36
    3.3.2 液相控制方程  36-37
    3.3.3 成核和液滴生长模型  37-38
    3.3.4 水蒸气状态方程  38-40
  3.4 小结  40-41
第四章蒸汽两相凝结流动数值模型的验证  41-47
  4.1 引言  41
  4.2 算例一 Moses 和Stein 实验  41-44
    4.2.1 物理模型和网格的划分  41-44
    4.2.2 计算结果与对比分析  44
  4.3 算例二 Moore 实验  44-46
    4.3.1 物理模型和网格的划分  44-45
    4.3.2 计算结果与对比分析  45-46
  4.4 小结  46-47
第五章蒸汽引射系统工作过程数值研究  47-88
  5.1 引言  47
  5.2 物理模型和网格的划分  47-48
    5.2.1 物理模型  47
    5.2.2 网格的划分  47-48
  5.3 数值方法和计算策略  48-49
  5.4 初始条件和边界条件  49
    5.4.1 初始条件  49
    5.4.2 边界条件  49
  5.5 环型引射喷嘴流场  49-51
  5.6 工作参数对引射器性能影响研究  51-73
    5.6.1 引射总温的影响分析  52-60
    5.6.2 引射总压的影响分析  60-65
    5.6.3 出口背压的影响分析  65-71
    5.6.4 被引射气流总压的影响分析  71-73
  5.7 结构参数对引射器性能影响研究  73-83
    5.7.1 收敛比的影响分析  74-77
    5.7.2 面积比的影响分析  77-80
    5.7.3 二次喉道长径比的影响分析  80-82
    5.7.4 提高蒸汽引射系统引射能力的方法  82-83
  5.8 蒸汽引射器启动特性研究  83-86
    5.8.1 蒸汽引射器启动特性的研究方法  84
    5.8.2 蒸汽引射器启动特性的理论研究  84-86
  5.9 小结  86-88
第六章结束语  88-90
致谢  90-91
参考文献  91-96
攻读硕士期间发表的论文  96

蒸汽引射系统凝结流动过程数值研究

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