高超声速喷管中气体凝结的数值研究

【作者】 范煜； 林龙沅； 罗喜胜；

【机构】 中国科学技术大学近代力学系；

【摘要】 高超声速喷管是高超声速飞行器和高超声速燃烧加热风洞的重要组成部分,它具有大扩张比的特点,有利于获得高马赫数的气体。以煤油为主要燃料的高超声速飞行器和高超声速风洞中,燃烧产生的高温高压混合气体在其喷管中迅速膨胀达到超声速。当飞行器突然加速、风洞燃料富余时,高温高压混合气体中会存在未完全燃烧的煤油气体和燃烧产生的水蒸气等污染气体。当气体通过大扩张比的喷管时会剧烈膨胀,由于温度快速降低,导致煤油气体和水蒸汽的急剧凝结。凝结会改变原有气体的组分,并伴随大量潜热的释放,这会改变喷管的出口马赫数和流场的参数,影响飞行器的马赫数和风洞的运行参数。因此,对高超声速喷管中气体凝结机理和影响的研究具有重大的科学意义和工程价值。关于喷管中水蒸气的凝结问题,前人已经做过许多研究,得到一些有价值的结论和规律。目前国内外对超声速喷管中煤油气体凝结的研究儿乎空白,本文初步探究了高超声速喷管中煤油气体凝结、凝结对流场参数的影响以及流场初始参数对凝结影响等规律。数值模拟结果表明,煤油气体通过膨胀在某一特定区域里成核,接着液滴在成核区域后增长;煤油气体的高密度使喷管气体较难膨胀,凝结潜热的释放进一步影响喷管中流场,使流场参数无法达到设计工况;初始煤油气体的体积分数增加使喷管内凝结强度先增大后减小。煤油气体凝结与水蒸气相比具有不同的特征且相互影响:水蒸气凝结释放潜热较大,对流场的马赫数、静温、静压等参数和流场均匀性影响较大;煤油气体的凝结潜热释放较小,但热量的释放能抑制水蒸气的凝结。煤油气体密度远大于空气和水蒸气,使气体较难膨胀,进一步能抑制水的凝结。因此,综合考虑煤油气体和水蒸气凝结对流场影响和两种凝结相互作用也是本文的一大工作。更多还原