文丘里管汽蚀实验研究.pdf

第4 l 卷第5 期 火箭推进v 。1 4 1 N o 5 1 竺! i ! ! 竺星 J O U R N A LO FR O C K E TP R O P U L S I O N 0 c t 2 0 1 5 文丘里管汽蚀实验研究 唐虎1 ，毕勤成2 ( 1 西安航天动力研究所，陕西西安7 1 0 1 0 0 ： 2 西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室，陕西西安7 1 0 0 4 9 ) 摘 要：设计了4 种不同喉部尺寸的文丘里管，各文丘里管进行了不同入1 3 压力、相同 出口压力下的实验，对其中1 种进行了不同温度下的实验，结果表明：随着入1 3 压力的提高， 文丘里管的流量系数呈缓慢下降趋势；水温达到某一值时，流量系数出现明显减小；在相同 入口、出口压力下，喉部直径越大，汽蚀区越明显；入口压力越大，汽蚀区越明显；对水在 一定温度范围内加温，汽蚀区没有明显变化；此外，实验中文丘里管汽蚀区呈现周期性变化。 最后对其中1 种文丘里管进行了数值模拟，试验中汽蚀区长度与计算值基本一致。 关键词：文丘里管；汽蚀；实验研究 中图分类号：V 4 3 4 3 4 文献标识码：A 文章编号：1 6 7 2 9 3 7 4 ( 2 0 1 5 ) 0 5 0 0 5 4 0 7 E x p e r i m e n t a ls t u d yo fc a v i t a t i o ni nv e n t u r i T A N G H u l ，B IQ i n c h e n 9 2 ( 1 X i a nA e r o s p a c eP r o p u l s i o nI n s t i t u t e ，X i a n71010 0 ，C h i n a ； 2 S t a t eK e y L a b o r a t o r yo fM u l t i p h a s eF 1 0 wi nP o w e rE n 百n e e r i n g X i a nJ i a o t o n gU n i v e r s i t y , X i a n710 0 4 9 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：F o u rv e n t u r it u b e sw i t hd i f f e r e n tt h r o a td i a m e t e rw e r ed e s i g n e d E a c hv e n t u r iw a s t e s t e da td i f f e r e n ti n l e tp r e s s u r ea n ds a m eo u t l e tp r e s s u r e H e a t i n g e x p e r i m e n tf o ras e l e c t e dv e n t u r i w a sc a r r i e do u ta td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e T h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ev e n t u r if l o w c o e f f i c i e n th a sat r e n do fs l o wd e c l i n ew i t ht h ei n c r e a s eo fi n l e t p r e s s u r e ；t h ef l o wc o e m c i e n t d e c r e a s e sq u i c k l yw h e nw a t e rt e m p e r a t u r er e a c h e dac e r t a i nv a l u e ；a ts a m ei n l e tp r e s s u r ea n do u t l e t p r e s s u r e ，t h el a r g e rt h et h r o a td i a m e t e ri s ，t h eg r e a t e rt h ec a v i t a t i o na r e ab e c o m e s ；t h eh i g h e rt h ei n l e t p r e s s u r eI S ，t h eg r e a t e rt h ec a v i t a t i o na r e a ；w h e nw a t e ri sh e a t e di nc e r t a i nt e m p e r a t u r er a n g e t h e c a v i t a t i o na r e ad o e s n tv a r yr e m a r k a b l y I na d d i t i o n ，t h ec a v i t a t i o na r e ao fv e n t u r ip r e s e n t e dp e r i o d i c v a r i a t i o nd u r i n gt h ee x p e r i m e n t T h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nf o rf l o wf i e l do fas e l e c t e dv e n t u r iw a s c a r r i e do u t ，a n dt h er e s u l t sw e r ec o m p a r e dw i t ht h o s eo ft h ee x p e r i m e n t T h er e s u l t ss h o wt h a tt h e c a l c u l a t e dc a v i t a t i o nl e n g t hi Sa l m o s tt h es a m ew i t ht h ee x p e r i m e n t a lo n e K e y w o r d s ：v e n t u r i ；c a v i t a t i o n ；e x p e r i m e n t a ls t u d v 收稿日期：2 0 1 5 一叭一3 l ；修回日期：2 0 1 5 0 3 2 6 基金项目：中国航天科技集团公司支撑项目( 2 0 11 J Y 0 9 ) 作者简介：唐虎( 1 9 7 7 一) ，男，高级工程师，研究领域为液体火箭发动机系统设计 万方数据 第4 l 卷第5 期唐虎，等：文丘里管汽蚀实验研究 5 5 O引昌 1 9 世纪后半叶，随着蒸汽轮机的应用，在动 力系统中逐渐出现了“汽蚀”( 也称为空化) 现 象。随着科技的进步，涉及汽蚀现象的领域愈来 愈多，许多研究者对此进行了广泛的研究。到目 前为止，有关汽蚀研究最多的装置之一是文丘里 管。研究主要包括实验研究、数值模拟( 有的包 含实验研究) 、应用研究等。 1 ) 实验研究 有的对不同结构文丘里管进行实验研究， S a y y a a d i 等对串联汽蚀文丘里管反应器与传统的 单文丘里管反应器进行了实验比较 1 I 。F a s i h 等对 3 种不同结构尺寸的文丘里管空化进行了实验比 较，结果显示如果文丘里管出口压力与入口压力 之比小于0 8 ，则流量恒定且与下游压力无关；当 该值超过0 8 时，文丘里管就等同于节流孑L 板I z I 。 有的对特定流体介质进行实验研究，A r d i a n s y a h 等对钠在文丘里管内流动时的空化和空蚀特 性进行了实验研究，实验表明不同的滞止压力和 温度，开始的空化数都基本是一致的，但在空蚀 实验中，空化数在0 5 9 到0 5l 间发生变化 3 1 。 随着技术发展，对文丘里管的实验研究也越 来越深人。V a b r e 等利用同步加速器x 射线成像 进行了文丘里管结构汽蚀流动研究，该技术能以 数千赫兹的频率同时测量液态相和气态相的速度 场1 4 1 ；C o u t i e r D e l g o s h a 等采用超快x 射线成像技 术进行了文丘里管空化流的速度场测阁。S a y y a a d i 等还对文丘里管反应器进行了空化不稳定性研 究，采用高速摄像机观察到了文丘里管空化流的 波动过程，采用示波器记录了波动的频率，实验 发现空化数是波动特性的主要影响因素 6 1 。 2 ) 数值模拟 文丘里管汽蚀仿真研究主要是随着计算流体 力学的发展而发展的。但数值计算的湍流模型及 汽蚀模型还不能完全准确的描述实际的流动状 态，采用不同的模型时计算的结果会存在差别， 流动状态不一致时，有的模型计算结果与实际较 为吻合，有的差别明显。因此，通常的计算都需 要用实验进行验证。另外，影响汽蚀的因素众 多，数值模拟的侧重点也多不一致。为了验证模 拟的正确性，许多数值模拟都先采用实验数据进 行了检验。 有的重点对不同介质进行数值模拟。到目前 为止，绝大部分的数值模拟都是采用水为介质， 少数采用别的介质。A r d i a n s y a h 等对钠和水的汽 蚀特性进行了数值模拟比较，结果显示在相同的 空化数和不凝性气体含量情况下，水和钠中的空 泡分布没有大的差别【7 1 ；浙江大学的张小斌等考 虑汽蚀过程热效应并假设气相与液相间热平衡， 利用计算流体力学方法对液氧文丘里管的汽蚀特 性进行了分析吲；史刚和梁国柱，针对N ：O 的特 点，对3 种不同工况下文氏管的汽蚀流场分别考 虑汽化热和不考虑汽化热进行了仿真，并对2 种 计算结果进行了对比分析1 9 。 有的重点对不同的模型进行数值模拟， D i t t a k a v i 等采用大涡模型模拟了文丘里管里湍 流一汽蚀的相互作用【1 0 一1 1 】；D eG i o r g i 等采用不同 的模型对液体火箭发动机低温流体在文丘里管 的汽蚀进行计算比较，其中全汽蚀模型受到了 更多关注1 1 2 1 ；G o n c a l v e sE r i c 等对空化流的不同数 值求解器进行了计算比较，结果认为可压缩性 很有必要3 1 ；谭建国、刘景华和王振国通过综合 采用数值计算、实验验证、系统辨识的方法，建 立了一种适用于系统仿真的四阶文丘里管动态模 型，计算表明：即使在汽蚀状态下，文丘里管也 可能出现3 3 的流量波动【1 4 1 。 有的重点对不同的文丘里管结构参数进行 数值模拟，B a s h i r 等基于C F D 对狭缝文丘里管 不同结构参数下的空化进行了模拟，得到了当 喉部长度与高度相等且扩张半角为5 5 。时达到最 佳空化1 1 5 】。 有的重点对汽蚀不稳定性进行模拟， G o n c a l v sE r i c 等对文丘里管汽蚀流动的不稳定性 进行数值模拟，并与实验数据进行了对比，结果 表明湍流模型有着重要的影响口6 1 。 3 ) 应用研究 文丘里管发生汽蚀时，在入口条件保持不变 的情况下，流量基本保持恒定，因此，可以用作 流量测量装置。在文丘里管下游，汽泡在较高压 万方数据 5 6 火箭推进2 0 1 5 年1 0 月 力作用下会发生溃灭，溃灭将产生一些特殊的效 应，利用这些特殊效应，可以用于污水处理等方 面。为此，有的学者进行了相关的研究工作。 K i mHJ 等研究了文丘里管进行污水预处理 来增加生物降解的性能，研究得出文丘里管出口 角度为1 2 0 时性能较高【1 7 1 ；S a h a r a n 等采用水力空 化进行活性红色1 2 0 染料的降解研究，结果发现 红色1 2 0 染料的降解与溶液的P H 值有关，在酸 性溶液中可以获得更高的降解率，H ：0 ：的添加可 以强化降解率1 8 1 ；S a i n t eB e u v e 等采用水力空化进 行菜籽油的酶水解实验，实验中文丘里管入口压 力增加8b a r 时，多脂肪