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稀有气体叶轮机械流动特性及相似方法研究

摘要

闭式布雷顿循环动力系统是满足深空探测器及水下大型无人潜航器长航时、高功率

密度以及多任务载荷带来的高能量需求的潜在解决方案之一。由于在化学稳定性和换热

能力方面的优势，选择稀有气体如氦、氦氙及氩气作为工质，有利于实现闭式布雷顿循

环动力系统的小型化和高效率。叶轮机械是闭式布雷顿循环动力转换单元的核心部件，

由于稀有气体物性与空气存在明显差异，稀有气体叶轮机械的设计实践不能完全照搬空

气工质的经验。另外，由于较高的实验成本，也不宜对稀有气体叶轮机械气动性能进行

大量的实验。鉴于此，开展稀有气体叶轮机械气动性能的研究，并基于相似理论对其效

率及膨胀比特性进行模化，对于稀有气体叶轮机械设计体系的构建大有裨益。同时，针

对稀有气体基础流动特性这一重要科学问题开展研究，并从流动相似的角度分析稀有气

体与空气之间的异同，能够为深入了解稀有气体叶轮机械的气动规律奠定坚实的基础。

本文首先从叶轮机械实际运行的流动条件出发，详细论证了稀有气体工质的连续介

质假设及其应力与应变率的本构关系，并分析了稀有气体的理想气体性质，从而明确了

稀有气体的流体力学特征。同时，本文基于ChapmanEnskog分子动力学理论及两方

程对应态原理，实现了对稀有气体及混合工质物性的预测。

基于T3A无压力梯度平板构建边界层流动模型，分析了氦气边界层在不同流态下

的典型参数分布，探究了氦气边界层转捩随流动雷诺数及来流湍流条件的变化规律。开

展了不同工质边界层流动特性的比较研究，探究了雷诺数、马赫数和欧拉数对流动相似

性的作用，确定了实现不同工质边界层流动相似的Eu-Re准则数组合。基于对边界层损

失的分析，揭示了流动损失-流动参数-工质粘度间的内在关联。提出了在流动相似和近

似相似情况下，不同工质粘性流动损失的等效模化方法。

开展了氦气、氩气及空气的叶栅实验研究，得出了各工质叶栅流动在不同分离程度

下的吸力面拓扑和表面压力系数分布。开展了栅后参数测量实验，获得了不同工况下不

同工质叶栅流动损失的变化规律。通过实验与数值研究相结合，探究了不同工质叶栅流

动结构及参数分布随雷诺数及欧拉数的变化趋势，确定了实现不同工质叶栅流动结构相

似的Eu-Re准则数组合。对于压差阻力损失占主导地位的叶栅流动而言，当不同工质叶

栅流动相似时，其流动损失一致。

基于不同工质向心涡轮的流场分析，探究了来流欧拉数及雷诺数变化对涡轮效率的

影响，并着重关注保证速度条件对实现非设计工况下涡轮效率特性等效的作用。确定了

哈尔滨工程大学博士学位论文

实现不同工质向心涡轮效率特性等效的Eu-Re-u相似条件组合，其中进出口截面流动参

数模化的最大误差为1%，效率模化误差为0.1%，并明确了该方法的适用范围。推导了

向心涡轮膨胀比与流动参数、效率及工质比热比的内在关联，实现了氦氙与氩气工质向

心涡轮之间效率及膨胀比特性的等效。

对于氦氙与空气向心涡轮的特性模化，低工况下效率特性模化误差为0.2%左右，讨

论了导致二者临界流量差异的影响因素。建立了使二者效率特性等效的新准则数组合

0.4972

γMa-Re-u，并推导了氦氙与空气向心涡轮膨胀比的转换方法，实现了两种工质向心

涡轮在流动近似相似前提下的效率及膨胀比特性的等效。

关键词：稀有气体流动特性；氦/氩叶栅实验；流动相似；向心涡轮；特性模化

稀有气体叶轮机械流动特性及相似方法研究

Abstract

TheclosedBraytoncyclesisapotentialsolutiontomeettherequirementsoflong

endurance,highpowerdensityforunderwaterandspaceapplications.Duetotheadvantagesin

chemicalstabilityandheattransfer,theselectionofnoblegasasworkingfluid,including

helium