【正文】 兩相流測量技術(shù) ........................................... 26 第四章 兩相流數(shù)值模擬 ............................................. 27 167。 本文研究內(nèi)容 ............................................... 7 第二章 火箭發(fā)動機中兩相流的國內(nèi)外研究進展及最新成果 ................ 9 167。 introduces the particles phase physical properties and the heat and mass transfer theory。 （ 2）概括了兩相流在航空航天方面國內(nèi)外的進展及最新研究成果。 因 此對兩相流動力學(xué)進行跟蹤研究是十分必要的，以便了解兩相流的發(fā)展現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)兩相流理論和應(yīng)用過程中存在的問題，找出解決兩相流問題的方法，并掌握其發(fā)展方向。 關(guān)鍵字 ：兩 相流，固體火箭發(fā)動機，兩相流模型，數(shù)值模擬 本科畢業(yè)設(shè)計論文 2 Abstract Twophase flow system is applied in many engineering fields, but the theory of twophase flow is not prehensive, and is still in the initial stage of development. There are a lot of questions about twophase flow in the solid rocket motor. For example, predicting the specific impulse of the engine have to consider the twophase flow loss, the calculation of interaction of resistance and heat transfer between two phases needs consider the influence of the twophase flow and design of the thermal structure must consider to gauge twophase flow. So it is necessary to study the twophase flow dynamics, in order to understand the current situation of twophase flow, and find the problems in twophase flow theory and application. To find out the method of solving the twophase flow problem and to master its developing direction. The main contents of this paper are: (1) The development of twophase flow and the research status are summarized, and the development of twophase flow is described in the early stage. So far, the twophase flow theory is still not perfect, twophase flow is still in the early stages of development。 simulation under high acceleration condition, the engine thrust increases with the increase of the acceleration, but the increase is small which is only % . Keywords : twophase flow, solid rocket motor, twophase flow model, numerical simulation 本科畢業(yè)設(shè)計論文 3 目錄 摘要 ........................................................ 1 Abstract ........................................................... 2 目錄 ................................................................ 3 第一章 緒論 ......................................................... 5 167。 兩相流動的特點及分類 ................................ 20 167。 單顆粒動力學(xué)模型 .................................... 32 167。 雙方程模型 .......................................... 39 167。例如在火力發(fā)電方面有著許多的多相流問題，包括鍋爐燃料輸入的兩相流問題，流化床燃燒和流動過程中的兩相流問題等，研究并解決這些問題可以建立高效潔凈的火力發(fā)電機組，從而淘汰發(fā)電效率不高且污染嚴重的火力發(fā)電的方式。 雖然兩相流學(xué)科是近年來才形成的，可是同兩相流有關(guān)的問題很早以前人們就在生產(chǎn)中遇到并提出各種解決方案，積累了許多經(jīng)驗。 50 年代后，兩相流的相關(guān)研究相關(guān)研究顯著增加，內(nèi)容包括兩相流邊界層，激波在兩相流混合介質(zhì)中的傳播，空化理論，液態(tài)化技術(shù)以及噴管流動等。因此兩相流作為一門獨立的學(xué)科得以形成并開始迅速發(fā)展，但總的來說還不成熟，尚處于發(fā)展階段，很多方面都依賴于經(jīng)驗數(shù)據(jù)，而且數(shù)據(jù)的分散性也很大。這主要是由于氣固兩相流動的內(nèi)在復(fù)雜性所造成的，主要表現(xiàn)在很多方面還需依賴于經(jīng)驗公式和經(jīng)驗數(shù)據(jù)，而且不同研究者所得到的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗表達式還存在較大的差距，缺少適用性強的統(tǒng)一計算公式等。 我國從上世紀 50 年代開始在一些高等院 校中開展了氣 液兩相流動和流化床的研究工作，以后又陸續(xù)開展了氣力輸送的研究。在噴管方面的研究已經(jīng)取得了較大的研究成果，其中兩相流損失、型面的最佳設(shè)計等體現(xiàn)了目前的水平，但是兩相流燒蝕、推進劑燃燒模型等方面仍然未作出成果。分析得到影 本科畢業(yè)設(shè)計論文 10 響長尾噴管中粒子分布的三個因素，即： 粒子的尺寸； 過載組合不相同 鋁粉所占的百分比。 宋亞飛 [12]等利用 EulerLagrange 模型（顆粒軌道模型）對固體火箭發(fā)動機內(nèi)氣固兩相流進行了數(shù)值模擬，通過將顆粒直徑為 1 微米兩相流與純氣相流場的比較，以及噴管內(nèi)不同直徑顆粒運動軌跡的對比，研究分析了粒子相對噴管流場的影響和顆粒運動的特性及分布規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)：顆粒相對噴管內(nèi)流場參數(shù)（馬赫數(shù)、溫度）的影響較大，但是對壓強的影響較小；顆粒直徑與顆粒相運動軌跡關(guān)系緊密，且對顆粒的分布有很大的影響；顆粒分布、顆粒沉積特性和顆粒運動軌跡三 者之間密切相關(guān)。環(huán)縫塞式的設(shè)計方案需要考慮兩方面的因素：一是兩相流因素，二是約束型面設(shè)計的極限粒子流線。 陳軍 [19]采用火箭發(fā)動機噴管中的一維兩相流動的數(shù)值模擬計算數(shù)據(jù)，經(jīng)過 對比計算分析噴管一維二相流動參數(shù)和純氣相流動的變化規(guī)律，得出在兩相流動條件下火箭噴管的性能計算公式。通過噴管兩相流的計算得到比沖損失的大小，并設(shè)計相關(guān)的軟件來自動完成常見的噴管型面的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化計算的結(jié)果證明，噴管相對比沖損失能夠明顯減小。 李宏順 [27]等依據(jù)已有的單燃速熱力學(xué)參數(shù)標準，研究了雙燃速固體火箭發(fā)動機的內(nèi)彈道，建立了零維兩相的內(nèi)彈道方程，該方程中不僅含有一個新形式的能量方程，并且還包括一種簡潔實用的方法，該方法既可以計算點火的上升段，還可以計算發(fā)動機的特征速度和比沖。研究分析結(jié)果表明，兩相流動沖刷參數(shù)的變化對絕熱層的侵蝕過程以及侵蝕后的最終形貌影響很大，在燒蝕過程中，伴隨著絕熱層表面的局部沖刷參數(shù)的惡劣變化，燒蝕造成的凹坑也不斷變窄、變深，而且顆粒對碳化層的損壞效果更加嚴重；通過分析絕熱層推移型面上的顆粒沖刷參數(shù)分布規(guī)律和二次聚集效果，總結(jié)出形貌改變和絕熱材料表面沖刷燒蝕條件之間具有很強 本科畢業(yè)設(shè)計論文 14 的相互作用，并且沖蝕條件劇烈就會導(dǎo)致絕熱層表面產(chǎn)生局部的凹坑，而后燒蝕凹坑變深、變窄有會翻過來造成顆粒在凹坑中的二次聚集。 李江 [34]等在高過載條件下，研究了絕熱層燒蝕的試驗方案 ,給出了一種新的研究方法，即彎管分離法，并采用數(shù)值模擬的方法對該方法進行了實驗驗證，研究結(jié)果證明了此方法的可行性。加大發(fā)動機旋轉(zhuǎn)動作，并增加局部絕熱層的厚度，就能夠增強發(fā)動機的安全性能。 謝侃 [41]等開展了發(fā)動機環(huán)縫式的氣動喉部的數(shù)值模擬研究。研究得出：隨著顆粒相在流場中的含量增高，氣相受顆粒相的阻礙作用越強，且加熱效應(yīng)也越明顯，使氣相馬赫數(shù)減小，溫度增加；顆粒的含量相同時，粒子直徑越小， 氣相流動受阻越顯著，同時加熱效應(yīng)也更明顯；計算得到的無粒子區(qū)與擬流體模型和顆粒確定性軌道模型的結(jié)果對比可知，仍然有少許的非連續(xù)粒子存在該區(qū)域中。 張涵 [46]等采用 Eulerlagrange 模型模擬了微型固體火箭脈沖發(fā)動機中的兩相流動，并在三維空間內(nèi)建立了物理模型以及數(shù)學(xué)模型，同時研究了影響脈沖發(fā)動機性能參數(shù)的因素（如顆粒直徑、純氣相）。模擬結(jié)果表明，使用新方法來求解發(fā)動機燃燒室內(nèi)氣粒兩相流問題是非常準確可靠的，適合用于發(fā)動機中更加復(fù)雜的兩相流動問題的數(shù)值模擬。這些技術(shù)參數(shù)對于近似計算非穩(wěn)態(tài)流動模型是必要的，這表明 BearNunziato 屬于這一類雙流體 模型，并且在數(shù)值模擬實驗前，也給出了該模型的主要性能。兩種不同液滴直徑和噴射速度的噴射模式的實驗包括進行了一系列的模擬情況。此外 ,有噴射器模式 A的發(fā)動機的燃燒效率高于有噴射器模式 B的 ,這表明噴射器模式A 可能是一種有效的混合火箭發(fā)動機設(shè)計方案。粒子質(zhì)量添加是常被用來提高比沖和抑制高頻的不穩(wěn)定性。起初 ,通過用顆粒夾帶的發(fā)動機的穩(wěn)定性與原先通過在沒有粒子加 本科畢業(yè)設(shè)計論文 19 入的二全球穩(wěn)定框架內(nèi)的實驗結(jié)果進行計算和比較。在早期的工作中這項技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于檢測伯格斯方程、等熵歐拉方程和歐拉方程，并且結(jié)果與先前的論文所發(fā)表的十分吻 合。通用曲線有助于把滑移長度與氣流壁特性和局部流動參數(shù)聯(lián)系起來。 兩相流概念 “相”，通常是指某一系統(tǒng)中具有相同成份及相同物理、化學(xué)性質(zhì)的均勻物質(zhì)部分，各相間有明顯可分的界面。其中流體相指氣體或者液體等連續(xù)介質(zhì)；顆粒相包括固體顆粒、液滴和氣泡等離散介質(zhì)。 在兩相流動中，當粒子的溫度發(fā) 生改變時，粒子相的物理特性也會隨之改變。因為測量微粒直徑 分布的方法的不同，通常用兩種方法來描述顆粒的分布密度，一種是按粒徑的顆粒數(shù)分布密度，另一種是按粒徑的顆粒質(zhì)量分布密度。 顆粒的質(zhì)量傳遞 因為蒸發(fā)、凝結(jié)或者化學(xué)反應(yīng)等因素，顆粒和氣相間就會有質(zhì)量的傳遞。對于稠顆粒群兩相流動，顆粒運動主要取決于顆粒間的碰撞。 顆粒相質(zhì)量守恒方程 tp p pVt? ? ? ?? ? ? ? ?? (313) 式中： m axm in1 pprp p m prpV V f dr?? ? 式中： 顆粒半徑的分布密度；單位體積內(nèi)顆粒質(zhì)量按??mf 兩相混合物的質(zhì)量守恒方程 兩相混合物的質(zhì)量守恒方程時只需要將相同條件下的氣相、顆粒相方程相加即可。 兩相流基本方程 因為在兩相流動的過程中，不僅要考慮兩相之間的質(zhì)量、熱量以及能量的傳遞，而且粒子表面上的點傳遞量也都是不一樣的；氣象繞過的顆粒表面都有附面層及與附面層相關(guān)的復(fù)雜流動；另外，顆粒具有尺寸分布，不同尺寸顆粒附近的氣相流動均不相同，而且顆粒之間還有碰撞、聚合和破碎等現(xiàn)象。對于普利姆 (Priem)液滴蒸發(fā)模型，顆粒的質(zhì)量傳遞率 pm. 為： )(4 2. sGPPp PP PP L nKrm ?? ?? (39) 式中： GK — 質(zhì)量傳遞系數(shù)， Kg/s 三、顆粒阻力 本科畢業(yè)設(shè)計論文 2