高速膨脹流動中的非平衡凝結(jié)及其對流場影響的研究.pdf

1、本文采用數(shù)值和實(shí)驗(yàn)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(jìn)行耦合而相互影響，使得這一物理過程變得更為復(fù)雜。當(dāng)易于凝結(jié)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(dá)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(jié)可能使流場發(fā)生熱壅塞，甚至形成凝結(jié)激波，并與流場變化互饋造成自激振蕩等復(fù)雜現(xiàn)象。

2、 在高速膨脹流場中，非平衡凝結(jié)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(yīng)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(jìn)行描述，其計(jì)算誤差非常大，在很多條件下與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不相符合。本文在經(jīng)典成核理論的基礎(chǔ)上，對其進(jìn)行改進(jìn)，重新推導(dǎo)了準(zhǔn)平衡條件下的成核率公式，進(jìn)一步提高了成核率的估算精度，從而使得改進(jìn)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(dǎo)出凝結(jié)過程的動力學(xué)方程，并結(jié)合氣體動力學(xué)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(jié)合本文改進(jìn)的成核模型，可對流場的凝結(jié)問題進(jìn)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(yīng)的非結(jié)構(gòu)四邊形網(wǎng)格，在流場密度變化劇烈的區(qū)域?qū)W(wǎng)格進(jìn)行自動加密，在密度變化平緩的區(qū)域?qū)W(wǎng)格進(jìn)行自動粗化。在模擬激波管流動中的氣體凝結(jié)對流場的影響時，通過與實(shí)驗(yàn)測得的壓力比較，

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

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

6、凝結(jié)激波。若飽和度繼續(xù)增大，“X型”凝結(jié)激波隨之逐漸增強(qiáng)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(yùn)動凝結(jié)激波在圓弧形喉道噴管N2中的產(chǎn)生過程及其運(yùn)動模態(tài)的演變情況。數(shù)值結(jié)果表明在膨脹率較大的噴管中，當(dāng)水蒸汽的初始相對飽和度足夠大時，凝結(jié)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(jié)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