超高压驱动系统气动特性分析

作     者：陈魁炟 

作者单位：沈阳航空航天大学 

学位级别：硕士

导师姓名：徐让书

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 080103[工学-流体力学] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

主      题：超高压驱动系统 真实气体效应 状态方程 气动特性 计算流体力学 

摘      要：超高压驱动系统为高超声速风洞提供工作介质。在超高压工况下,气体的状态方程远远偏离理想气体,因此气动特性分析需考虑真实气体效应。为了确保国内超高压驱动系统的设计需求,针对超高压驱动系统的气动参数计算问题,提出一种以质量方程、动量方程和能量方程方程为基础,联立实际气体状态方程的超高压气动特性计算模型,对系统的设计参数进行分析,为系统的气动设计提供数据支持。本文分别采用建立超高压气动分析模型的数值计算方法和计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)仿真模拟的方法进行超高压气动特性分析,主要内容如下:(1)根据超高压驱动系统模型及其各元件之间的关系,总结以往研究真实气体效应的气动分析方法,以质量方程、动量方程和能量方程为基础,联立空气亥姆霍兹能状态方程建立超高压气动特性计算模型。(2)使用空气亥姆霍兹能状态方程和输运物性方程计算空气在100～2000K,50～1000MPa范围内共9216组热力学参数。所得计算结果与美国国家标准与技术研究院(NIST)数据库的实验数据进行比对,平均相对误差较小,从而验证该状态方程可以满足超高压工况空气参数的计算。(3)使用超高压气动特性计算模型,计算高超声速喷管在设计工况、亚声速工况和正激波工况的气动特性参数,发现理想气体模型和实际气体模型在三种工况下的临界背压值的差值主要受比热比的影响;亚声速工况下,喷管出口的马赫数、压力和温度均随着初始压力的升高而逐渐降低;正激波工况下,激波位置、激波前马赫数和激波前压力与背压比成非线性关系,并得到相关的拟合函数。(4)使用CFD软件的UDF(用户自定义函数)功能调用UDRGM(用户自定义实际气体模型),以输入实际气体状态方程。采用前文所得的结果设置背压值,对喷管的设计工况进行仿真模拟。通过分析流体域的参数分布,验证UDF调用的实际气体状态方程可以有效模拟超高压状态下空气的气动特性,并证明喷管的型线设计不存在影响喷管出口参数的问题。后续根据设置背压值与实际工况背压值的匹配情况对出口马赫数分布的影响,从而验证该超高压气动特性计算模型具备可靠的计算精度。(5)根据某超高压驱动系统的设计要求,使用超高压气动特性计算模型对该系统进行分析计算,求得系统的气动特性参数,经验证满足设计指标的要求。