高速膨脹流動中的非平衡凝結及其對流場影響的研究.pdf

1、本文采用數(shù)值和實驗方法，研究高速膨脹流動中的汽液相變，及其與流場的相互作用。流場中的相變常伴隨著熱的釋放(或吸收)并與流場進行耦合而相互影響，使得這一物理過程變得更為復雜。當易于凝結的氣體經(jīng)歷高速膨脹過程時，氣體伴隨著溫度的突然下降而達到過飽和狀態(tài)。在這種極不穩(wěn)定的狀態(tài)下，氣體將發(fā)生成核，繼而伴隨液滴生長過程并向周圍釋放潛熱。取決于釋放潛熱的大小，非平衡凝結可能使流場發(fā)生熱壅塞，甚至形成凝結激波，并與流場變化互饋造成自激振蕩等復雜現(xiàn)象。

2、 在高速膨脹流場中，非平衡凝結可以分為兩個過程：成核過程和液滴生長過程。在成核模型中，應用得比較廣泛的是經(jīng)典成核理論模型。但該模型采用宏觀狀態(tài)參數(shù)代替微觀狀態(tài)參數(shù)對核的形成過程進行描述，其計算誤差非常大，在很多條件下與實驗數(shù)據(jù)不相符合。本文在經(jīng)典成核理論的基礎上，對其進行改進，重新推導了準平衡條件下的成核率公式，進一步提高了成核率的估算精度，從而使得改進后的理論模型能有效地適用于氣體的同質(zhì)成核過程。 根據(jù)Hill矩量方法

3、，可以推導出凝結過程的動力學方程，并結合氣體動力學的守恒律方程如歐拉方程或納維斯托克斯方程，即可完整描述包括相變過程的非定常流動。根據(jù)Luo的ASCE2D數(shù)值方法，并結合本文改進的成核模型，可對流場的凝結問題進行求解。為了提高求解的精度和效率，此數(shù)值方法采用了自適應的非結構四邊形網(wǎng)格，在流場密度變化劇烈的區(qū)域對網(wǎng)格進行自動加密，在密度變化平緩的區(qū)域對網(wǎng)格進行自動粗化。在模擬激波管流動中的氣體凝結對流場的影響時，通過與實驗測得的壓力比較，

4、驗證了此數(shù)值方法和凝結模型的可靠性。之后，采用數(shù)值和實驗方法對高速流動研究實驗室中常用的設備：激波管和超聲速風洞噴管中的水蒸汽凝結現(xiàn)象及其與流場的相互作用進行了研究： 1、激波管凝結問題的研究。首先研究了激波管中的凝結現(xiàn)象以及凝結過程釋放的潛熱使流場發(fā)生擾動而產(chǎn)生凝結激波的過程；繼而討論了二維激波管中的各種條件對凝結激波產(chǎn)生過程的影響；最后研究凝結激波與流場的相互作用。結果表明，流場中液體含量是在成核率達到最大后才開始明顯增加。

5、且氣體的凝結量隨著膨脹波的強度改變而改變。在膨脹率較大的情況下，由于氣體凝結釋放潛熱的影響，流場會產(chǎn)生激波。凝結過程中的相變與流場相互作用使得流場結構或性質(zhì)參數(shù)發(fā)生明顯的變化。 2、噴管流動中的凝結問題研究。首先采用數(shù)值和實驗方法研究噴管N1(常規(guī)Laval噴管)中的水蒸汽凝結及其對流場的影響。數(shù)值和試驗結果均表明，當水蒸汽初始相對飽和度較小時，凝結對流場的影響不大，隨著飽和度的增加，凝結釋放的潛熱量將使噴管喉道下游出現(xiàn)“X型”

6、凝結激波。若飽和度繼續(xù)增大，“X型”凝結激波隨之逐漸增強并演化為弓型激波或正激波。此外，還研究了不同水蒸汽飽和度或膨脹率下，非定常運動凝結激波在圓弧形喉道噴管N2中的產(chǎn)生過程及其運動模態(tài)的演變情況。數(shù)值結果表明在膨脹率較大的噴管中，當水蒸汽的初始相對飽和度足夠大時，凝結激波會在喉道附近區(qū)域內(nèi)發(fā)生周期性振蕩。若水蒸汽飽和度繼續(xù)增加，凝結激波的振蕩頻率將隨之增大，然后減小，呈現(xiàn)出凸型分布；并且隨著時間的推移，激波的振蕩模態(tài)將發(fā)生變化，其振蕩