摘要：近百年，由于载人航天以及深空侦测的需求，人们对液体运载火箭的推进力有了愈来愈高的要求。但作为火箭推进剂的低温热敏流体在经过推进系统的时候极其容易产生空化现象，导致低温流体内部流场变得十分的混乱，以至于进一步引起机械的剧烈振动，从而大大降低了液体火箭发动机推进器的推力性能和可靠性。用于火箭推进剂的液氮、液氢之类的低温介质在空化的过程之中将表现出极为明显的热力学效应，即对热力学参数极为敏感，最终导致空化的流动过程变得更加的复杂。所以，要是能够精确的预测低温流体的空化流动特性，并熟知热力学效应下空化流动的特性，对航空航天及深空侦测的理论研究和实际应用有着重要价值和意义。

本文主要采用了数值模拟的方法，并与相关试验数据进行对比分析，开展了液氮绕水翼实验的数值模拟研究，主要研究的内容及成果如下所示：

（1）根据HORD的实验建立了几何模型，并数值模拟了非空化条件下液氮介质绕流水翼的流场，与实验结果进行对比分析，与试验结果吻合。

（2）对相同空化数下清水介质及液氮介质的空化流场进行了数值模拟，分析了非空化及空化情况下清水介质与液氮介质对流场的影响，得出了在不考虑热力学效应条件下，相同空化数下液氮绕水翼空化与清水绕水翼空化流场的差异。

（3）在若干特定温度情况下，数值模拟了不同空化数及不同压力下液氮介质绕水翼的空化流动，进行了压力，流速，湍流动能等分析，并归纳了不同压力下液氮绕水翼空化流场的变化规律。

（4）进行了不同温度下液氮介质绕流水翼的数值模拟。根据不同温度工况空化流场的压力分布图，气相体积分数分布图等，分析得出了空化特性随温度及压力变化的规律。

关键词：低温流体、液氮、空化、数值模拟、水翼

目录

摘要

Abstract

第 1 章 绪 论-1

1.1 课题背景和意义-1

1.2 国内外研究现状-2

1.3 本文研究的主要内容

第 2 章 热敏流体空化流动数值计算方法-7

2.1 引言-7

2.2 控制方程-7

2.2.1 基本控制方程-7

2.2.2 动量守恒方程-8

2.2.3 能量守恒方程-8

2.3 湍流模型-9

2.3.1 k-湍流模型-10

2.3.2 BSL k-湍流模型-11

2.3.3 Shear Stress Transport模型-13

2.3.4 Reynolds Stress模型-14

2.4 Zwart空化模型-16

2.5 热力学敏感流体空化流动基本特性-18

2.6 本章小结-19

第 3 章 液氮绕水翼非空化数值模型研究-20

3.1 引言-20

3.2 计算模型的确定-20

3.3 网格划分-22

3.4 边界条件设置-23

3.5 计算域的建立-25

3.5.1 网格验证-25

3.5.2 湍流模型验证-27

3.5.3 介质属性验证-28

3.6 非空化条件下温度的影响研究-29

3.7 本章小结-33

第 4 章 水翼绕流空化特性数值研究-35

4.1 引言-35

4.2 边界条件设置-35

4.3 不同介质的空化特性对比-36

4.3.1 清水介质，水翼绕流空化特性分析-36

4.3.2 不同介质在相同空化数下的水翼绕流空化特性分析-37

4.4 液氮介质，不同环境压力下的空化特性分析-41

4.5 液氮介质，不同温度下的空化特性分析-42

4.6 本章小结-47

第 5 章 总结与展望-48

5.1 总结-48

5.2 展望-49

参考文献-50

致谢-52