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系統識別號 U0002-1507201416441100
中文論文名稱 噴嘴兩相流的相變化之模擬
英文論文名稱 Numerical simulation of the two-phase nozzle flows with phase change effects
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 航空太空工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Aerospace Engineering
學年度 102
學期 2
出版年 103
研究生中文姓名 唐紹源
研究生英文姓名 Shao-Yuan Tang
學號 601430514
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2014-07-01
論文頁數 73頁
口試委員 指導教授-牛仰堯
委員-黃博全
委員-楊安石
中文關鍵字 兩相流:空蝕現象:代數式Roe:震波 
英文關鍵字 Two-phase flow:Cavitation:Algebraic Roe:Shock wave 
學科別分類 學科別應用科學航空太空
中文摘要 為了要模擬噴嘴內氣泡震波空蝕現象的發生,在數值模擬方面本文採用了ROE的通量分離法。以推導原始的ROE方程後改寫成代數式的型式,而以此方法可以提高運算的效率。空間離散則使用Muscl+Limiter,而在時間離散上採用具TVD效應之三階Runge-Kutta法。吾人以代數式型式的ROE模擬一維的震波管及爆炸波問題作驗證,得到的結果與真實黎曼解幾乎是一致的。接著模擬二維的噴嘴,在採用 紊流模式時能模擬出週期性變化,及空蝕係數大於1.5後可抑制空蝕氣泡的產生。最後模擬二維及軸對稱注油器,則可看出兩者氣泡震波發生的位置與時間有明顯的差異性。在未來則是希望進行三維測試例的模擬。
英文摘要 The purpose is to simulate the shock-like cavitation phenomena in the nozzle flow. Numerical simulation is based on the Roe type flux splitting method. The original ROE solver is reformulated in the algebraic form. This reformulated method can enhance the efficiency of the computations. Also, the MUSCL type method is used to deal with spatial discretization and a 3-order Runge-Kutta method is chosen to discretize the time evolution. First, one-dimensional shock tube and blast wave problems are validated with numerical calculations. Secondly, the turbulence model can achieve the periodical revolution of bubble growths of two-dimensional cavitated nozzle flows. In addition, the flow under the cavitation number more than 1.5 is shown that the cavitation will not appear in the nozzle. Finally, the two-dimensional and axis-symmetric injector nozzle cases show that the different location and appearing time for the shock-like cavitated flow are captured. The three-dimensional test cases will be necessary in the further study.
論文目次 目錄
致謝 i
中文摘要 ii
英文摘要 iii
目錄 iv
圖目錄 vii
符號說明 xi
第一章 緒論 1
1.1前言 1
1.2噴嘴的物理現象 3
1.3空蝕的物理現象 5
1.4震波管原理 5
1.5文獻回顧 7
1.6研究動機與目的 11
第二章 數值計算方法 13
2.1統御方程式 13
2.2狀態方程式 16
2.3數值分法 18
2.4真實黎曼解(Exact Riemann Solver) 20
2.5紊流模式 22
2.6 空蝕模式 24
第三章 模擬結果與討論 26
3.1一維波方程 26
3.2 一維震波管問題 27
3.3 一維爆炸波問題 30
3.4二維噴嘴邊界條件及網格設定 33
3.4.1網格及時間獨立性測試 34
3.4.2測試VOF模型時不同的紊流模式 36
3.4.3測試Mixtue模型時不同的紊流模式 40
3.4.4 選k-ω standard模式 比較VOF與Mixture模型 44
3.4.5 選k-ω standard模式與Mixture模型比較不同K值 45
3.5二維注油器噴嘴 46
3.5.1 網格獨立性測試 48
3.5.2 選定網格數進行模擬 51
3.5.3 採用紊流模式 55
3.5.4 測試不同壓差下氣泡震波生成情形 56
3.6軸對稱注油器噴嘴 58
第四章 結論與未來展望 62
參考文獻 63
附錄A 投稿論文 66

圖目錄
圖1-1-1 船用螺旋 2
圖1-1-2注油器 3
圖1-2-1 subsonic flow經過噴嘴之後的變化情形 4
圖1-2-2 supersonic flow經過噴嘴之後的變化情形 4
圖1-4-1 shock tube at t=0 6
圖1-4-2 shock tube at t>0 7
圖1-5-1 8度擴張管空蝕現象 8
圖1-5-2 平均空蝕佔有率 8
圖2-4-1 真實黎曼解示意圖 21
圖3-1-1 三種方法與真實解作比較 27
圖3-2-1震波管密度分佈圖 28
圖3-2-2震波管壓力分佈圖 29
圖3-2-3震波管速度分佈圖 29
圖3-3-1爆炸波密度分佈圖 31
圖3-3-2爆炸波壓力分佈圖 31
圖3-3-3爆炸波速度分佈圖 32
圖3-4-1二維噴嘴網格圖 33
圖3-4-2 [10] 34
圖3-4-3 網格獨立性測試 35
圖3-4-4 時間獨立性測試 35
圖3-4-5氣體體積佔有率隨時間變化 36
圖3-4-6四個時間的氣泡分佈圖 37
圖3-4-7 0.045秒時壓力分佈圖 37
圖3-4-8 0.045秒時壁面壓力分佈圖 37
圖3-4-9氣體體積佔有率隨時間變化 39
圖3-4-10四個時間的氣泡分佈圖 39
圖3-4-11 0.045秒時壓力分佈圖 40
圖3-4-12 0.045秒時壁面壓力分佈圖 40
圖3-4-13氣體體積佔有率隨時間變化 41
圖3-4-14四個時間的氣泡分佈圖 41
圖3-4-15 0.045秒時壓力分佈圖 42
圖3-4-16 0.045秒時壁面壓力分佈圖 42
圖3-4-17氣體體積佔有率隨時間變化 43
圖3-4-18四個時間的氣泡分佈圖 43
圖3-4-19 0.045秒時壓力分佈圖 44
圖3-4-20 0.045秒時壁面壓力分佈圖 44
圖3-4-21氣體體積佔有率隨時間變化 45
圖3-4-22 0.045秒時壁面壓力分佈圖 45
圖3-4-23 0.045秒時氣泡分佈圖 45
圖3-4-24 0.045秒時氣泡分佈圖 45
圖3-4-25不同K值時氣泡分佈圖 46
圖3-5-1二維注油器網格圖 47
圖3-5-2網格獨立性測試圖 49
圖3-5-3網格獨立性測試局部放大圖 49
圖3-5-4 不同網格數時氣泡震波分佈情形 50
圖3-5-5中線壓力變化 52
圖3-5-6 秒時氣泡震波分佈 52
圖3-5-7 秒時壓力分佈 52
圖3-5-8 秒時氣泡震波分佈 52
圖3-5-9 秒時壓力分佈 52
圖3-5-10 秒時氣泡震波分佈 53
圖3-5-11 秒時壓力分佈 53
圖3-5-12 秒時氣泡震波分佈 53
圖3-5-13 秒時壓力分佈 53
圖3-5-14 秒時氣泡震波分佈 53
圖3-5-15 秒時壓力分佈 53
圖3-5-16 秒時氣泡震波分佈 54
圖3-5-17 秒時壓力分佈 54
圖3-5-18 不同時間空蝕氣泡分佈圖 54
圖3-5-19 採用層流與紊流模式時氣泡隨時間變化 55
圖3-5-20 秒時氣泡震波分佈圖 56
圖3-5-21 不同壓差時氣泡震波分佈圖 58
圖3-6-1軸對稱注油器網格圖 59
圖3-6-2二維與三維注油器氣泡隨時間變化 60
圖3-6-3不同時間點氣泡震波分佈圖 61
參考文獻 [1] Reboud, J. L., Delgosha, O. C., Pouffary, B., and Patella, R. F., “Numerical Simulation of Unsteady Cavitating Flows:Some Applications and Open Problems”, Fifth International Symposium on Cavitation, Osaka, Japan, November 1-4, 2003.
[2] Sezal, I. H., Schmidt, S. J., Schnerr, G. H., Thalhamer, M., and Forster, M., “Shock and Wave Dynamics in Cavitating Compressible Liquid Flows in Injection Nozzles”, Shock Waves,Vol. 19, pp. 49-58, 2009.
[3] Anderson, J. D.,” Fundamentals of Aerodynamics”, 1991.
[4] Sod, G. A., “A Survey of Several Finite Difference Methods for Systems of Nonlinear Hyperbolic Conservation Laws”, Journal of Computational Physics, Vol.27, pp. 1-31, 1978.
[5] Rouse, H., and McNown, J. S., “Cavitation and Pressure Distribution: Head Forms at Zero Angle of Yaw”, State Univ. of Iowa Engineering Bulletin 32,Ames, IA,1948.
[6] Kim, J. H., Nishida, K., and Hiroyasu, H., ”Characteristics of the Internal Flow in a Diesel Injection Nozzle”, Journal of Fluid Mechanics Research, Vol. 24, Nos. 1-3, 1997.
[7] Stutz, B., and Reboud, J. L., “Experiments on Unsteady Cavitaion” , Experiments in Fluids , Vol. 22, pp. 191-198, 1997.
[8] Stutz, B., and Reboud, J. L., ”Measurements within Unsteady Cavitation” ,Experiments in Fluids, Vol 29, pp. 545-552, 2000.
[9] Chen, Y., Lu, C. J., and Wu, L., “Modeling and Computation of Unsteady Turbulent Cavitation Flows”, Journal of Hydrodynamics Ser.B , 18(5):pp. 559-566, 2006.
[10] Can, F. D., Zafer, B., Steffen J. S. and Gunter, H. S., ”Unsteady Bubbly Cavitating Nozzle Flows”, International Symposium on Cavitation, August 17-22, 2009.
[11] Christopher, E. B., Cavitation and Bubble Dynamics, 1995.
[12] Hosangadi, A., and Ahuja, V., “Numerical Study of Cavitation in Cryogenic Fluids”, Journal of Fluids Engineering, Vol. 127, pp. 267-281, 2005.
[13] Zhang, X.B., Wu, Z., Xiang, S.J., and Qiu, L. M., “Modeling Cavitation Flow of Cryogenic Fluids with Thermodynamic Phase-Change Theory”, Journal of Engineering Thermophysics, Vol. 58, No. 4-5, pp. 567-574, 2012. [14] Alajbegovic, A., Meister, G., Greif, D., and Basara, B., ” Three Phase Cavitating Flows in High-Pressure Swirl Injectors”, Experimental Thermal and Fluid Science, Vol.26, pp. 677-681, 2002.
[15] Shin, B. R., Yamamoto, S. and Yuan, X., “Application of Preconditioning Method to Gas-Liquid Two-Phase Flow Computations.” Journal of Fluids Engineering, Vol. 126, pp. 605-612, 2004.
[16] Niu , Y. Y., Lin, Y. M. and Lin, Y. C., ”A Simple and Robust Advection Upwind Flux Splitting to Simulate Transient Cavitated Water-Vapor Flows”, Numerical Heat Transfer, Vol. 51(7), pp. 679-696, 2007.
[17] Niu , Y. Y. and Hsu, W. Y., “A Preliminary Calculation of Three-Dimensional Unsteady Underwater Cavitating Flows near Incompressible Limit “, Communications in Computational Physics, Vol. 4, pp. 894-910, 2008 .
[18] Housman, J. A., Kiris, C. C., and Hafez, M. M., ”Time-Derivative Preconditioning Methods for Multicomponent Flows”, Journal of Applied Mechanics, Vol. 76, pp. 1-12, 2009.
[19] He, Z.X., Liu, J.Y., Qian, W., and Yuan, J.P., “A Numerical Study into the Effect of Cavitation Number on the Flow Characteristics in Diesel Nozzle Holes”, In:Proceedings of APPEEC, Chengdu, China, pp.1-4, 2010.
[20] Wang, X.,and Su, W., “Numerical Investigation on Relationship between Injection Pressure Fluctuations and Unsteady Cavitation Processes inside High-Pressure Diesel Nozzle Holes”, Fuel, Vol. 89, pp. 2252-2259, 2010.
[21] Goncalves, E., and Decaix, J., “Wall Model and Mesh Influence Study for Partial Cavities”, Mechanics B/Fluids Vol. 31, pp. 12-29, 2012.
[22] 王瀚鋐, ”可調式算則在空蝕現象的模擬應用”, 淡江大學航空太空工程學系碩士論文, 2013.
[23] Mohan, B., Yang, W., and Chou, S., “Cavitation in Injector Nozzle Holes-A Parametric Study”, Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics Vol. 8, No. 1, pp. 70-81, 2014.
[24] Ansys Fluent 14.0 User’s Guide, Fluent. Inc., 2011.
[25]Cole, R. H., “Underwater Explosions”, Princetion Univ.Press, Princeton, NJ, 1948
[26]Niu, Y. Y., and Lin, Y. M., ” A Multi-scale Approach to Predict Slurry-Erosion in Cavitated Ducts Flows”, Numerical Heat Transfer, Vol. 50(6), pp. 241-256, 2006 (SCI).
[27] Roe, P. L.,” Approximate Riemann Solvers, Parameter Vectors,and Difference Schemes”, Journal of Computational Physics, Vol.43, pp. 357-372, 1981.
[28] Toro, E. F., Riemann Solvers and Numerical Methods for Fluid Dynamics,Springer, New York, 1997.
[29] Zwart, P. J., Gerber, A. G., and Belamri, T., “A Two-Phase Flow Model for Predicting Cabitation Dynamics”, ICMF, No. 152, 2004.
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