【正文】 he early stages of development。 （ 2）概括了兩相流在航空航天方面國內(nèi)外的進(jìn)展及最新研究成果。 本文研究內(nèi)容 ............................................... 7 第二章 火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中兩相流的國內(nèi)外研究進(jìn)展及最新成果 ................ 9 167。 VOF 模型 ............................................ 34 167。因此，了解并掌握兩相流動(dòng)的規(guī)律，就可以對各種技術(shù)設(shè)施的最佳設(shè)計(jì)、安全運(yùn)行和改造自然環(huán)境以及提高人民生活水平等起到重要的指導(dǎo)作用。早期的工作有 Marble（ 1963）、Murray（ 1965）、 Panton（ 1968）等。目前，二相流的數(shù)值模擬研究已成為探索兩相流動(dòng)機(jī)理的主要手段之一。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 9 第二章 火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中兩相流的國內(nèi)外研究進(jìn)展及最新成果 因?yàn)閮上嗔髟诨鸺l(fā)動(dòng)機(jī)的研究中具有極其重要的地位，因此世界各地的科學(xué)工作者們對兩相流進(jìn)行了大 量的研究。分析結(jié)果表明 :噴管內(nèi)部燃?xì)鈪?shù)受過載和粒子尺寸變化的影響非常明顯 ,尤其是對溫度的影響作用特別顯著。 楊寒 [20]研究了鋁冰固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中氣固兩相流的噴管參數(shù)，使用了MusclHancok 格式以及有限體積法，又分別采用 HLL 格式和 Stegerwarming 格式來處理氣相界面通量 和顆粒相。 陳軍 [29]采用固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管中的兩相流動(dòng)性能的計(jì)算公式，構(gòu)造了零維兩相流的內(nèi)彈道模型，其中包含零維兩相內(nèi)彈道的微分方程與平衡壓強(qiáng)公式，說明了模型中牽涉到的兩相性能參數(shù)的計(jì)算方法。 樂發(fā)仁 [36]等采用化學(xué)反應(yīng)以及兩相流耦合方法，構(gòu)造了 Al 顆粒的燃燒模型，并在高過載條件下，開展了含 Al 推進(jìn)劑發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)流場數(shù)值模擬分析。模擬結(jié)果說明，二次流噴入的位置離喉部的距離越近，噴射角度越小以及 二次流的流量越大，氣動(dòng)喉部的調(diào)節(jié)能力增強(qiáng)就越顯著；由此可得出兩種對主流起到扼流作用的方法，即增加主流的擠壓和主流的流阻。分析結(jié)果指出，在橫向過載上升到一定程度時(shí)，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)筒段部分的絕熱層的表面以及承載面的流場方向上，會產(chǎn)生一條顆粒濃度平緩擴(kuò)大的聚集帶，然而在非承載 面上，顆粒的分布比較稀疏；粒子沖刷速度受過載大小的影響并不顯著，其主要是因?yàn)槿細(xì)庾陨韺αＷ恿鲃?dòng)的軸向加速度較大，而過載的影響體現(xiàn)不明顯的緣故；在一定程度上，燃燒室內(nèi)顆粒的密集區(qū)表明了此位置處的燒蝕環(huán)境比較嚴(yán)峻，絕熱層燒蝕的主要原因是凝相顆粒低速聚集致使局部熱量的劇 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 17 烈增加，同時(shí)導(dǎo)致了粒子的二次聚集。兩種噴射模式是專為發(fā)動(dòng)機(jī)而設(shè)計(jì)的。 Jeremy[55]等設(shè)想了一個(gè)應(yīng) 用雙軌道任務(wù)的計(jì)劃，作為兩相流技術(shù)展示順序的一部分，旨在提高 OPEN 的 TRL（技術(shù)準(zhǔn)備水平）和適合廣泛應(yīng)用的水平，并做了雙軌道發(fā)展計(jì)劃的綜述。最后 ,與原先基于流函數(shù) 工作方法的比較是值得提供和討論的。燃料噴射系統(tǒng)就是以這種循環(huán)現(xiàn)象為的基礎(chǔ)，分離單組元推進(jìn)劑的微型推進(jìn)器設(shè)計(jì)可以為下一代的小型衛(wèi)星所使用， McCabe 的研究工作證明了燃料沉積的形成。概括起來，她大概有如下幾方面的特點(diǎn)： （ 1） 流動(dòng)形態(tài)復(fù)雜多變； （ 2） 相間的相互作用比較強(qiáng)； （ 3） 物性參數(shù)比較多而且變化大； （ 4） 能耗隨阻力系數(shù)的變化而變化； （ 5） 有松弛現(xiàn)象，一般在激波面后或者壁的表面出現(xiàn)； （ 6） 具有電磁效應(yīng)； （ 7） 數(shù)學(xué)描述難度大。顆粒阻力按相對運(yùn)動(dòng)的雷諾數(shù)范圍的不同而有不同的規(guī)律： 斯托克斯定律 pdc Re24? （ 1Re?p ） （ 32） WallisKliachko 公式 ? ? ppdc Re/246/Re1 32 ??? ? ?1000Re1 ?? p （ 33） 牛頓公式 ?dc ? ?1000Re ?p （ 34） 式中： pRe 是相對雷諾數(shù)， vdvvppfp ??Re 在顆粒的溫度高于氣體的溫度時(shí)，顆粒阻力會變大，大于等溫時(shí)的阻力。因此，兩相流動(dòng)是非常復(fù)雜多變的。 對于稀顆粒群兩相流動(dòng)，顆粒運(yùn)動(dòng)主要取 決于氣動(dòng)力。 顆粒尺寸的分布是顆粒相中最重要的特性，分布尺寸顆粒通常用分布密度來描述顆粒尺寸的分布。 另外一種比較好的定義兩相流的概念方丁酉在《兩相流動(dòng)力學(xué)》中提到的，即兩相流就是流體相和顆粒相組成的流動(dòng)。滑移長度和速度尺度梯度張量被計(jì)量；這有助于根據(jù)所得數(shù)據(jù)給滑移長度繪制一個(gè)通用曲線。相反 ,它在產(chǎn)生的線性特征值的程度，即，一個(gè)可以迎刃而解的偽譜方法，采用完整的納維 斯托克斯方程。在模擬的變化范圍內(nèi) ,液滴直徑和噴射速度的增加將降低反應(yīng)物的混合和燃燒效率 ,這在噴射器模式 B 表現(xiàn)更為明顯。 Frederic Coquel[50]等介紹了一種雙流體模型，其中的理論要求包括：（ 1）對流體的雙曲率；（ 2）熵不等式；（ 3）無粘流動(dòng)的跳躍條件的唯一性。所以，影響一脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)燒蝕不均勻的主要因素就是顆粒相的沖刷過程以及氣流的再附著過程。研究結(jié)果表明，顆粒相對兩相流場的影響關(guān)鍵體現(xiàn)在噴管的喉部和擴(kuò)張段，與單相 流場比較可知，沿軸線的馬赫數(shù)變小，并且顆粒尺寸越小，則減少的越多；而沿軸線的氣相溫度增加，顆粒尺寸越小，則溫升越高，而且無粒子區(qū)越??；如果顆粒直徑越大，則粒子和收縮段壁面的碰撞就越劇烈，且無粒子區(qū)越大。研究結(jié)果說明，在過載條件下，影響顆粒分布規(guī)律和絕熱層劇烈燒蝕部位的重要因素包括： 過載量值； Al 含量。研究結(jié)果表明，該模型能夠很好的 減 少純氣相模型造成的理論和實(shí)際兩者間的誤差，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)彈道的預(yù)測精度。 兩相流噴管參數(shù)及性能研究 遲鴻偉 [18]等研究了大負(fù)載比氣固兩相噴管參數(shù)及通道的形 狀優(yōu)化，通過應(yīng)用非結(jié)構(gòu)化四邊形自適應(yīng)網(wǎng)格建立噴管模型，利用歐拉 歐拉方法建立兩相控制方 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 12 程，并使用有限容積法求解有限差分方程得到了各種不同負(fù)載比下的兩相流運(yùn)動(dòng)規(guī)律；初步推導(dǎo)了兩相近似等溫思想下的推理計(jì)算公式，在進(jìn)一步的進(jìn)行了與等熵推理公式、沿壁面數(shù)值積分計(jì)算結(jié)果的比較，結(jié)果表明，在較大的微粒直徑范圍內(nèi)，與實(shí)際推力更符合的是近似等溫流思想推力計(jì)算結(jié)果，而等熵公式計(jì)算結(jié)果與實(shí)際推力相差較大；通過對比不同擴(kuò)張角下的推質(zhì)比，研究發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過構(gòu)造長尾噴管中流場的純氣相流以及氣固兩相流物理模型，并假定初始邊界條件，分別對兩種模型進(jìn)行仿真計(jì)算，研究分析噴管內(nèi)流場參數(shù)（溫度、壓強(qiáng)及馬赫數(shù)等）以及 燃?xì)饬Ｗ又睆降淖兓植家?guī)律，以達(dá)到優(yōu)化噴管內(nèi)流場熱防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的。 （ 2）概括了兩相流在航空航天方面國內(nèi)外的進(jìn)展及最新研究成果。 綜上所述，兩相流作為一門新興學(xué)科，總的來說至今發(fā)展還很不成熟，仍然處于發(fā)展初期階段。只有個(gè)別學(xué)者對顆粒運(yùn)動(dòng)的基本理論做過一些探索性的研究。 近年來，兩相流系統(tǒng)在現(xiàn)代工程技術(shù)中有著日益廣泛的應(yīng)用，如航空航天 ,冶金制造，環(huán)境監(jiān)測 ,化工石油等方面，甚至已進(jìn)入了醫(yī)學(xué)、輕工等領(lǐng)域，每一個(gè)方面都關(guān)系著社會民生和工業(yè)的蓬勃發(fā)展 ,兩相流理論的研究也加快了進(jìn)程，成為人們關(guān)注的科研重點(diǎn)。 兩相流數(shù)值模擬模型 ....................................... 32 167。 Mach numbers than pure gas phase is slightly lower。對固體發(fā)動(dòng)機(jī)而言，存在著很多有關(guān)兩相流的問題，比如發(fā)動(dòng)機(jī)比沖預(yù)估時(shí)要考慮兩相流的損失、計(jì)算兩相間的相互作用的阻力和傳熱時(shí)要考慮兩相流的影響、熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要計(jì)及兩相流動(dòng)等。 basic equation gives the twophase flow。 數(shù)值模擬步驟及方法 ....................................... 27 167。 結(jié)論 ...................................................... 46 167。兩相流地名詞在 1949 年已見諸于文獻(xiàn)，但是兩相流體力學(xué)作為一門新興學(xué)科還主要是在 50 年代以后才發(fā)展起來的。 經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展目前氣固相流的稀相流動(dòng)已經(jīng)可以通過建立數(shù)學(xué)模型、借助計(jì)算機(jī)求解計(jì)算獲得比較滿意的結(jié)果。 論文的主要工作是跟蹤研究兩相流的發(fā)展?fàn)顩r，尤其是固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中的兩相流，因此文章較偏重于氣固兩相流的研究工作。 陳劍 [9]等建立并設(shè)計(jì)了一種模擬和長尾噴管燒蝕的實(shí)驗(yàn)方法和裝置，使用該裝置進(jìn)行了正常狀態(tài)下的實(shí)驗(yàn)，以及在 過載狀態(tài)下的實(shí)驗(yàn)研究，同時(shí)獲得了燒蝕實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和燒蝕形貌，而且試驗(yàn)結(jié)果在一定程度上比較吻合。計(jì)算結(jié)果表明：在二相流條件下和沒有考慮二相流效應(yīng)的純氣相理想方法設(shè)計(jì)的噴管型面相比，通過改進(jìn)的Angelino 法設(shè)計(jì)的噴管型面長度大約縮短百分之三三，推力增大近百分之一；改進(jìn)法設(shè)計(jì)的型面長度減小約 6%，性能提高近 4%。 黃偉 [24]等針對采用含鋁推進(jìn)劑的發(fā)動(dòng)機(jī)建立其兩相流動(dòng)的理論模型，再用數(shù)值方法對其內(nèi)彈道進(jìn)行了預(yù)估計(jì)算，同時(shí)還與氣相計(jì)算模型進(jìn)行對比。炭 /炭復(fù)合材料燒蝕會導(dǎo)致鈍尖的斷裂，還會形成一個(gè)層狀矩陣。 李越森 [39]等針對直徑分別為 127 毫米、 315 毫米試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)和長細(xì)比發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對燃燒室中的三維二相流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了縱、橫向加速度的載荷對多種燃燒室中顆粒場及聚集帶的作用效果。該發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)后，會產(chǎn)生縱向脈沖形式的絕熱層燒蝕不均勻情況，而且在脈沖的前段還會形成一“凹坑”。 應(yīng)用水平集方程的高階迎風(fēng)差分格式來最終捕獲氣體 — 流體兩相流之間的界面，并減少水平集方程中質(zhì)量守恒的誤差。這意味著氧化劑和有噴射器模式 A 的發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料可以更好地混合。為此，室內(nèi)粒子速度和空間的濃度是通過調(diào)用流的相似性實(shí)現(xiàn)的。 Navier 和 Maxwell 滑移模型考慮了速度只在于壁垂直方向變化的氣流。同時(shí)存在兩種及兩種以上 相態(tài)的物質(zhì)混合體的流動(dòng)就是兩相或多相流。另外，重油燃燒形成的微粒，不完全燃燒時(shí)形成煤（碳黑）粒子，呈現(xiàn)絲絮狀；完全燃燒時(shí)產(chǎn)生的顆粒，它是結(jié)晶狀的固體顆粒。 Pa； P? — 顆粒蒸汽的相對分子量； PaPP s 表面蒸發(fā)物質(zhì)的分壓，混合氣體的壓強(qiáng)和顆粒和 ?? 另外，對于顆粒的傳熱和傳質(zhì)還可以用 RanzMaeshell 公式來描述，即 pNu ?? （ 310） ScSh p?? （ 311） 五、稠密顆粒群和稀疏懸浮體 本節(jié)前面研究的只是單個(gè)顆粒的受力、傳熱及傳質(zhì)情況，還沒有考慮顆粒之間的相互作用。 方程推導(dǎo)中的基本假設(shè)有： 忽略掉顆粒布朗運(yùn)動(dòng)造成的壓力； 顆粒內(nèi)部溫度是均勻的； 顆粒滿足擬流體假設(shè)。 傳熱量為：一個(gè)顆粒對流體的對流 )(Pr4pfppfp TTgCrQ ??? ?? (38) 應(yīng)的修正因子；流體湍流與氣相稀薄效式中： ??pg 594Pr ??gg?? ， g? — 氣相比熱比。 顆粒相特性 一、 顆粒相物理特性 懸浮顆粒因兩相流動(dòng)的不同而表現(xiàn)出不同的化學(xué)組成及性質(zhì)。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 20 第三章 兩相流基本理論 167。 Teng Li[60]等提出了一種關(guān)于兩相流問題的非粘性正規(guī)化技術(shù)的守恒定律。通過四種伴有二氧化碳的制冷劑的數(shù)值預(yù) 測比較可知，二氧化碳始終有更長的干涸長度和更高的熱傳導(dǎo)率。 Eulerlagrange 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 18 方法用于求解兩相流。該耦合方法對 JPL 噴管內(nèi)氣粒兩相流動(dòng)的過程進(jìn)行了模擬，進(jìn)而獲得顆粒相與氣相間的參數(shù)分布規(guī)律，和有關(guān)有實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及離散顆粒模型的數(shù)值模擬結(jié)果相比，吻合較好。然后，分別對 噴氣推進(jìn)實(shí) 驗(yàn)室 噴管內(nèi)的二相流場以及湍流二相射流流場開展了模擬計(jì)算，分析了不同粒子質(zhì)量百分?jǐn)?shù)和不同粒子尺寸時(shí)的流場的流動(dòng)規(guī)律。模擬結(jié)果說明：在不同過載的情況下，固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中粒子的聚集及其分布規(guī)律是受過載的大小與發(fā)動(dòng)機(jī)流道結(jié)構(gòu)一起作用的結(jié)果，并且影響規(guī)律非常復(fù)雜，造成的絕熱層的異常燒蝕模式與機(jī)理不同。 三、兩相流燒蝕