跨临界CO_2两相喷射器的背压影响分析

喷射器的性能易受到喷射器运行时产生的非平衡相变、超音速流及激波等多种复杂现象的影响,同时出口压力也影响着喷射器的性能,对于跨临界CO_2两相喷射器内的流动状态,简化模型很难描述内部的激波特征。考虑实际物理条件,比较二维和三维计算精度,运用三维CFD模拟和基于密度梯度在迭代过程不断调节细化网格的网格自适应方法,准确预测喷射器的性能,分析了喷射器的出口背压及其激波的特性。研究结果表明,喷射器的背压在高速运行过程中存在临界值,当高速运行过程的喷射器背压持续低于此值时,喷射器扩散室入口处的混合管道中流体流速将大大超过正常工作的亚音速,壅塞现象将会同时产生,喷射系数在此时将会达到最大值,而喷射器背压的持续增加和变化对于激波链的稳定性影响不再显著。随着喷射器出口压力的继续增大,激波链的长度和强度也随之不断衰减。研究结果可为喷射器的性能优化和发展提供可靠的理论依据。     

蒸汽喷射器中的激波效应

喷射器是依靠流体间的相互混合、撞击、摩擦来传递能量的,其内部的流动过程非常复杂,存在超音速流动、湍流、卷吸混合等极为复杂的流动现象。流体在超音速流动中强烈的可压缩性,会表现出与亚音速的不同特征,尤其压缩波或膨胀波的出现,对流动参数会产生很大影响。本文数值模拟了喷射器内部的复杂流动情况,数值刻画了喷射器内超音速喷嘴处的激波特性,并捕获到蒸汽喷射器扩压室内压缩激波诱发的壅塞现象,在此基础上分析了喷射器内的激波效应对喷射器性能的影响。     

Laval喷管内激波位置的计算及制冷性能分析

明确激波在Laval喷管内的发生位置,能够为设计及优化Laval喷管线型提供理论依据,从而提高Laval喷管的制冷性能和整个天然气超音速分离器的分离效率。文中对Laval喷管进行了结构设计,对不同背压条件下Laval喷管内激波位置进行了理论分析与计算,并利用FLUENT软件进行了数值模拟,通过研究不同背压条件下Laval喷管内气体马赫数、压力和温度分布,对喷管制冷性能进行了对比分析。结果表明:保持Laval喷管入口压力不变,随出口背压增大,激波位置逐渐从喷管出口向喷管入口方向移动,气体受到激波的影响,在喷管所能达到的最大马赫数不断降低,所能产生的最低温度不断上升,喷管的制冷性能越差;理论计算与数值模拟结果基本一致,数值模拟验证了理论计算的正确性。     

稀薄气体二维外部柱体绕流特性研究

本文采用直接模拟蒙特卡罗方法对稀薄气体二维外部柱体绕流问题进行了数值模拟。结果表明:外部绕流问题,在特定情况下会产生激波,激波的产生,不仅与气体的稀薄程度有关,还与来流马赫数有关。而气流与壁面之间的换热,随来流马赫数增加而增加,随气体稀薄程度增加而减小。     

工作喷嘴带直管段的新型喷射器性能数值模拟研究

针对喷射器效率偏低的问题，基于引射喷管工作原理，提出了工作喷嘴末端加入直管段的新型喷射器，采用计算流体动力学(CFD)技术，探究了新型喷射器的流场演化规律和性能，研究了结构参数对喷射器性能的影响。结果表明，在相同工作参数下，直管段的设计可以有效提高喷射器引射率，增大喷射器卷吸引射流体的能力。当直管段长度为10 mm时，引射率为0.593,提升率为17.43%,改变混合室尺寸可以使得喷射器性能最优时的引射流体流量增大17.5%～30.2%;新型喷射器性能较传统喷射器更稳定，且效率更高、高效工作范围更大。     

不同来流马赫数下激光能量形成高超声速进气道虚拟唇口的特性

用基于三维非定常可压缩雷诺平均Navier-Stokes方程的有限体积法计算了马赫数低于设计值6时一种高超声速进气道的性能参数,发现其性能存在明显下降。为提升进气道性能,将功率为15kW的激光能量注入进气道固体唇口前的流场中,形成虚拟唇口,马赫数为4.5,5.0和5.5时,计算得到来流捕获率分别提高了34%,20.6%和15.6%。绘制了不同马赫数下来流捕获率达到峰值时的流场压强云图,说明了虚拟唇口的特性及形成机制。结果表明:来流马赫数越低,来流捕获率越小,但相对于无能量注入时的来流捕获率的提升程度越明显;在不同来流马赫数条件下,通过改变激光能量引致的激波结构和位置,可达到最优状态,即激波与进气道前缘斜激波相交后的透射波打在进气道肩部位置的状态。     

用于气动输送装置的喷射器组优化设计

本文讨论了一种用于气动输送系统的喷射器组(jet-pair),由通过吸入口相联接的压空喷射器和真空喷射器组成,通过气液活塞式换能运动,产生脉冲液压做功以输送流体。该喷射器组在做功过程中不仅处于变工况状态,而且其设计尺寸及交替工作时间必须相互搭配,因此需要一套不同于传统喷射器设计的方法.本文基于对喷射器组的仿真试验结果,研究了压空喷射器不同于传统喷射器的设计思路,以及真空喷射器气源压力、喷嘴直径、面积比、喉管长径比对喷射系数的影响,得出了喷射器组优化结构的配套思路,为喷射器组的工业设计打下了基础.     

强梯度复杂流场中的粒子动力学响应试验研究

示踪粒子在(高)超声速流场中的动力学响应是粒子成像测速等粒子示踪测量技术的关键问题之一.现有文献对粒子动力学响应的试验测量往往是通过单个斜激波响应的测量方法.然而,当示踪粒子用于测量高速飞行器发动机内部复杂的激波串流场时,粒子将经历由多道激波导致的速度、压力、黏性等剧烈变化.本文结合目前(高)超声速飞行器的研究热潮,重点关注示踪粒子在应用于发动机内部具有连续激波的复杂流场测量中存在的跟随性评估方面,开展了一系列的相关试验研究.包括测量超声速风洞的喷管出口速度分布以验证测试系统的性能,在马赫4.2和3.0流场中测量了粒子对二维10°和15°单斜劈绕流中的斜激波动力响应,并测量了模拟发动机内部连续梯度的双斜劈粒子斜激波动力响应.结合粒子动力学的理论模型,得到了各状态的粒子弛豫时间、弛豫距离、Stokes数.基于图像方法、统计学规律分析了激波非定常抖动对测量结果的影响,并对测量结果进行了修正.结果显示,相同斜劈角度下,马赫数越高,粒子的弛豫时间、弛豫距离就越大.但是在相同的来流马赫数下,斜劈角度越大,粒子的弛豫时间、弛豫距离反而减小.在强梯度之后由于流场的雷诺数和黏性系数变化剧烈,粒子的跟随性降低了大约5.7%,stokes数增加了约1%.虽然在本文条件下Stokes数仍满足超声速流场对粒子跟随性的要求,但粒子响应的降低无疑是值得关注的,尤其是当其被应用于具有更多连续梯度的复杂流场测量中.     

水中斜激波的传播

 利用水的简化物态方程讨论了水中斜激波波后流动马赫数、密度比、压强增量及冲击角与来流马赫数的关系,给出了一个无量纲化的激波极线方程;对附体激波转变为脱体激波及波后流动为等声速流的条件进行了讨论。     

蒸汽喷射制冷系统中喷射器内特殊流动现象的研究

本文通过求解二维N-S方程来模拟蒸汽喷射器内复杂的流动混合过程,模拟时使用了蒸汽的真实物性公式。与理想气体假设不同,真实物性的带入,真实地反映了蒸汽经缩放喷嘴时,温度递减,喷嘴出口后温度场波动变化的特征．模拟时,通过对节点焓值的计算,得出了喷射器内发生相变的蒸汽的百分含量,实现了相变现象的定量分析。在激波捕捉方面,验证了喷射器内喷嘴出口后,膨胀波(压缩波)经混合层反复折射、转化、衰减的过程,以及在扩压室入口会产生斜激波的理论预测。     

等截面超-超引射器流场结构及引射性能

为考察超声速引射器直接引射超声速二次流时的性能,采用纹影技术和压力测量手段对一等截面超-超引射器的流场结构及其引射性能进行了实验研究。研究结果表明:一、二次流交汇后在混合室前段形成了复杂的超声速流场结构。根据二次流在混合室入口流动状态的不同,可将超-超引射划分为非饱和超-超引射和饱和超-超引射两种工作状态;二次流在混合室入口处产生的激波提高了引射器的压力匹配性能;在给定的引射系数下,引射器的增压性能随二次流马赫数的增大而降低,而引射马赫数对引射器压力恢复性能的影响不大。     

引射器用作化学氧碘激光器压力恢复系统的探讨

探讨了引射器在化学氧碘激光器（ＣＯＩＬ）压力恢复系统中的使用问题。为减小引射器的规模而达到较高的扩压比Ｐｒｅｃ／Ｐ′，引射工质应采用分子量和比热比小的气体。提高引射气体的温度及马赫数，也可增加扩压比     

Effect of flow on quasi-one-dimensional acoustic wave propagation in a variable area duct of finite length

The general equation for the velocity potential of quasi-one-dimensional acoustic wave motion in a variable area, finite duct with one-dimensional flow is derived by using a perturbation technique. The non-linear second-order partial differential equation is linearized and then solved, by either a power series expansion method or the Runge-Kutta fourth-order method, for harmonic time dependence. The boundary condition taken at the duct mouth is that of matching the impedance of the duct sound field to that of the radiation field at the duct opening. Three axial Mach number variations along the duct axis are considered and the results obtained are compared with those for the case of constant Mach number, to determine the influence of the axial velocity gradient on sound propagation. The effect of flow on the radiation impedance is also considered.     

低马赫数方法在自然对流数值模拟的应用

采用低马赫数近似的方法来对大温差驱动的自然对流问题进行数值模拟。低马赫数近似是通过将全可压的Navier—Stokes方程中声波进行过滤,从而在马赫数较低的流动中忽虑声波对流场的影响。声波过滤后的方程具有不可压缩N—S方程的特点,但可以求解温度和密度变化较大的问题。首先,通过对盖顶驱动流的数值模拟,验证了本文方法的可靠...     

冷凝温度对喷射器性能的影响研究

利用二维轴对称,真实气体模型对喷射式制冷空调系统的喷射器进行CFD计算.利用CFD模型进行计算,得到了喷射器在不同冷凝条件下性能变化及其系统的COP变化.在喷射器结构确定,凝温度要在一定范围:20℃≤tc≤40℃,喷射器正常工作.当冷凝压力低于临界压力时,喷射器的性能表现出恒能力特性.利用CFD技术研究得到冷凝温度的变...     

Flow visualization and density measurement of compressible flows by a laser speckle method

Laser speckle method is a well known technique that is useful for both visualization and quantitative measurement. This technique was applied to the density measurement of Mach reflection of shock waves in the present experiment. The Object of the measurement is the density field of simple Mach reflection in relatively low shock Mach number. The non-uniform flow field is divided into three regions by incident, Mach and reflected shock waves. A shock tube was employed in the present experiment. Wedges of 20 degrees and 45 degrees were placed in the test section. YAG laser was employed as a light source. Speckle photograph was taken by a digital still camera. Simple subtraction between the reference and flow images shows a shock pattern and a degree of the correlation of speckle pattern in the flow field. Thus, we can obtain a visualized flow image showing a configuration of Mach reflection from speckle photograph. Speckle photographs which was obtained in the experiments were processed with cross-correlation method. A reconstructed density gradient vector map of Mach reflection was obtained. Comparing the experimental result with numerical one, the measured density gradient shows a good agreement with theoretical prediction.     

几何参数对喷射器性能的影响分析

运用计算流体动力学软件Fluent对喷射器进行数值模拟,研究了工作喷嘴喉部直径、等截面混合室直径和长度等几何参数对喷射器性能的影响,并对数值模拟结果进行了分析。研究表明:在一定的工况下,工作喷嘴及等截面混合室对喷射器性能有极大的影响,存在最佳的喉部和混合室直径使得喷射系数最大;随着混合室长度的增加,喷射器的喷射系数将逐渐降低。     

Realization of an advanced nozzle concept for compact chemical oxygen iodine laser

Conventional supersonic chemical oxygen–iodine lasers (SCOIL) are not only low-pressure systems, with cavity pressure of 2–3 Torr and Mach number of approximately 1.5, but also are high-throughput systems with a typical laser power per unit evacuation capacity of nearly 1 J/l, thus demanding high capacity vacuum systems which mainly determine the compactness of the system. These conventional nozzle-based systems usually require a minimum of a two-stage ejector system for realization of atmospheric pressure recovery in a SCOIL. Typically for a 500 W class SCOIL, a first stage requires a motive gas flow (air) of 120 gm/s to entrain a laser gas flow of 3 g/s and is capable of achieving the pressure recovery in the range of 60–80 Torr. On the other hand, the second stage ejector requires 4.5 kg/s of motive gas (air) to achieve atmospheric pressure recovery. An advanced nozzle, also known as ejector nozzle, suitable for a 500 W-class SCOIL employing an active medium flow of nearly 12 g/s, has been developed and used instead of a conventional slit nozzle. The nozzle has been tested in both cold as well as hot run conditions of SCOIL, achieving a typical cavity pressure of nearly 10 Torr, stagnation pressure of approximately 85 Torr and a cavity Mach number of 2.5. The present study details the gas dynamic aspects of this ejector nozzle and highlights its potential as a SCOIL pressure recovery device. This nozzle in conjunction with a diffuser is capable of achieving pressure recovery equivalent to a more cumbersome first stage of the pressure recovery system used in the case of a conventional slit nozzle-based system. Thus, use of this nozzle in place of a conventional slit nozzle can achieve atmospheric discharge using a single stage ejector system, thereby making the pressure recovery system quite compact.     

R141b喷射式制冷系统的喷射器热力学模型设计

本文采用传统的热力学模型,理论设计了对制冷剂R141b适用的喷射器,通过计算机程序及优化设计理论设计出该喷射器.同时,背压是整个循环中的重要参数,过高的背压会影响喷射器的性能,本文还给出喷射器的最大背压计算方法,以此来设计出最适合整个工况运行的冷凝器,从而完成整个循环的设计.