[发明专利]一种RP‑3航空煤油空化的数值模拟方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种RP-3航空煤油空化的数值模拟方法，并涉及用于减少RP-3航空煤油在工业领域使用过程中空化所带来的问题，属于流体机械工程、多相流和计算流体力学技术领域。

背景技术

当一定温度的液体内部局部压力降低到液体饱和蒸汽压时，会产生汽化现象，同时溶解于液体中的气体也会析出，形成汽泡(又称空泡、空穴)，当汽泡随液流运动到压力较高的地方后，泡内的蒸汽重新凝结，汽泡溃灭。这种液流内的空泡产生、发展、溃灭的过程，以及由此产生的一系列物理和化学变化过程称为空化。空化的发生往往会导致机器效率下降并引起振动、噪声和材料表面破坏等问题，造成水力机械运行的非稳定性和叶片的疲劳破坏，严重时会使机器不能正常工作。

空化问题一直是流体机械工程和多相流领域的关键核心问题，由于空化现象的复杂性，数值模拟方法一直是空化研究的主要手段之一。目前，许多计算流体力学(CFD)软件都可以实现常规流体的空化数值模拟，应用较为广泛。然而，煤油是一种成分十分复杂的混合物，煤油的组成成分诸多且多为碳氢类化合物，其物质属性因生产产地、生产时间和生产工艺而异。空化数值模拟需要流体介质液相和汽相的诸多物质属性，对于RP-3航空煤油，其液相和汽相的物质属性只有部分是已知的，则无法直接通过计算流体力学软件进行煤油空化的数值模拟。因此，建立一种能够实现RP-3航空煤油空化的数值模拟方法，以实现RP-3航空煤油在整个温度范围内的空化数值模拟，具有重要的现实意义。

现有的相关技术手段包括：美国国家标准与技术研究院(NIST)开发的Supertrapp物性分析软件可获取常规碳氢化合物的各类物质属性(Ely J F,Huber M L.NIST standard reference datebase 4-NIST thermophysical properties of hydrocarbon mixtures[M].National Inst.Of standards,Gaithersburg,MD,1990.)；在“Groupe Européen de Recherches Gazières”支持下Kunz等在2007年提出GERG-2004方程，该方程基于多流体近似理论以无量纲Helmholtz自由能方程形式表示，可实现混合物的构建(Kunz O,Klimeck R,Wagner W,et al.The GERG-2004Wide-Range Equation of State for Natural Gases and Other Mixtures.Fortschr.-Ber.VDI,Reihe 6,Nr.557,VDI Verlag:Düsseldorf,2007.)。

发明内容

本发明要解决的技术问题是在以给定温度下流体介质液相和汽相的物质属性作为数据支撑的条件下实现RP-3航空煤油空化的数值模拟，并利用空化的数值模拟结果减少工业应用中空化现象的出现，进而降低RP-3航空煤油在存储和输运过程中空化引起的振动、噪声和材料表面破坏等问题。本发明公开的一种RP-3航空煤油空化的数值模拟方法可提高空化模拟精度，实现实际工业应用RP-3航空煤油空化过程的精细化模拟。所述的流体介质液相和汽相的物质属性包括：摩尔质量、密度、比热容、饱和蒸汽压、比焓、粘度、热导率、热膨胀系数。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的一种RP-3航空煤油空化的数值模拟方法，具体步骤包括：

步骤一：提供RP-3航空煤油物理替代模型的配方，各成分的摩尔百分比为：

正十二烷：52～58％

癸烷：28～32％

辛烷：1～3％

甲基环己烷：1～5％

甲苯：8～12％

步骤二：采用美国国家标准与技术研究院(NIST)开发的Supertrapp物性分析软件获取RP-3航空煤油物理替代模型配方的各成分(纯物质)的各类物质属性。

步骤三：采用GERG-2004方程将各成分(纯物质)混合为一种新的虚拟物质，实现所述虚拟物质的属性尽可能逼近真实RP-3航空煤油的属性，用来代表RP-3航空煤油混合物，所述虚拟物质具有完整的物质属性数据，所述虚拟物质即为RP-3航空煤油物理替代模型。GERG-2004方程的基本结构形式为：

α(δ,τ,x)＝α⁰(ρ,T,x)+α^r(δ,τ,x)(1)