伴隨凝結(jié)的無粘可壓縮流動研究.pdf

1、伴隨凝結(jié)的可壓縮流動是一個非常普遍的流動現(xiàn)象，在傳統(tǒng)工業(yè)如汽輪機、風洞及新興技術(shù)如超紫外光刻技術(shù)等中應(yīng)用廣泛。氣體轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w的凝結(jié)過程，伴隨著凝結(jié)潛熱的釋放，急劇改變了流場的熱力學性質(zhì)。流場的改變直接影響了設(shè)備的運行狀態(tài)，如汽輪機運行效率降低、風洞偏離設(shè)計參數(shù)等。本文研究凝結(jié)的自激發(fā)自抑制的基本過程對流動的影響程度，主要包括兩方面內(nèi)容：一是基本流動如一維管流、二維噴管流、繞角流中的凝結(jié)，著重于討論、評估凝結(jié)引起的波現(xiàn)象；二是風洞兩個典型

2、應(yīng)用中的凝結(jié)，分別是燃燒加熱風洞中水蒸氣的凝結(jié)，常規(guī)高超風洞中氮氣的凝結(jié)，著重于分析凝結(jié)對流場參數(shù)的影響。
　　 這兩方面均有較強的基礎(chǔ)研究背景和工業(yè)價值。
　　 本文首先從理論分析凝結(jié)的氣動效應(yīng)入手，討論凝結(jié)啟動過程中的非定常波系。凝結(jié)過程中包含了潛熱釋放、氣體消耗、液滴增加三個子過程。通常研究中僅僅考慮加熱過程，這一近似極大地簡化了研究的復雜度，但同時也帶來一定誤差。我們對這一假設(shè)重新評估，發(fā)現(xiàn)潛熱釋放和氣體消耗兩個

3、過程共同決定了非定常波的表現(xiàn)。在評估中，分別使用一維加熱模型和減質(zhì)模型討論了潛熱釋放和氣體消耗兩過程中產(chǎn)生的非定常波的波強。在分析了典型物質(zhì)水、壬烷凝結(jié)時的熱量添加比率與質(zhì)量減少比率之間的關(guān)系后，本文發(fā)現(xiàn)氣體消耗引起的非定常波不容忽視。進一步地，通過綜合考慮加熱與減質(zhì)兩個因素，給出了關(guān)于凝結(jié)引起的非定常波的波強的合理評估。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，綜合考慮熱質(zhì)影響與僅考慮熱影響所得到的非定常波的波強相差較大，對于水蒸氣差別約為15％ ～ 20％，對于壬

4、烷則約為30％ ～ 60％。當凝結(jié)氣體的速度低于來流流速時，非定常波的差別將更大。
　　 從氣動理論的分析可以總結(jié)出，水蒸氣的凝結(jié)中加熱過程占據(jù)主要地位。
　　 為驗證上述分析，我們首先考慮了噴管中凝結(jié)的兩個典型算例及激波管中凝結(jié)的啟動過程，發(fā)現(xiàn)其中的非定常波系與加熱分析所得到的三個波系一一吻合。
　　 在激波管中凝結(jié)的研究中，更進一步地，我們討論了無限長激波管中的凝結(jié)現(xiàn)象，引入了啟動階段、振蕩階段、漸近階段三個

5、階段的概念，并分析了不同初始參數(shù)情況下啟動階段和振蕩階段的表現(xiàn)。在漸近階段，隨著流場不斷演化，可以發(fā)現(xiàn)一個壓力、溫度的平臺。從平衡凝結(jié)概念出發(fā)，我們求得了同質(zhì)凝結(jié)的理論漸近解，與數(shù)值結(jié)果相比十分吻合。受激波管中凝結(jié)振蕩的啟發(fā)，我們進一步討論了二維繞角膨脹流（Prandtl-Meyer 流動）中的凝結(jié)。其中有界區(qū)域內(nèi)的凝結(jié)，與噴管中凝結(jié)有類似之處。隨著初始過飽和度的不斷提高，可以依次發(fā)現(xiàn)亞臨界、穩(wěn)定凝結(jié)激波、振蕩激波等現(xiàn)象。而在半平面區(qū)域

6、繞角流動中，凝結(jié)在空間中呈現(xiàn)較強的二維效應(yīng)，沿徑向振蕩型分布。可以發(fā)現(xiàn)，激波管中凝結(jié)隨時間的振蕩與半平面區(qū)域Prandtl-Meyer 流動中凝結(jié)隨徑向的振蕩有一定的時空相似性。
　　 在完成關(guān)于基本流動中凝結(jié)的討論之后，我們開展了風洞中凝結(jié)現(xiàn)象的研究。風洞中的凝結(jié)現(xiàn)象直接影響了流場的品質(zhì)及模型實驗的精準度。然而由于種種原因，國外的相關(guān)報道并不詳實。本文開展的工作中，詳細討論了燃燒加熱風洞中水蒸氣的凝結(jié)，初步分析了常規(guī)高超風洞中

7、氮氣的凝結(jié)。燃燒加熱風洞方面，著重討論大擴張比噴管流動中所伴隨的非平衡凝結(jié)過程對風洞試驗段流場參數(shù)的影響，揭示凝結(jié)效應(yīng)對燃燒加熱風洞運行影響的物理機理。研究發(fā)現(xiàn)，由于燃燒加熱風洞的試驗氣體中含有大量水蒸氣，在噴管膨脹過程中，凝結(jié)是不可避免的。由于其高總溫特點，在數(shù)值模擬時應(yīng)考慮高溫氣體效應(yīng)。水蒸氣的凝結(jié)，改變了風洞試驗段參數(shù)：靜溫提高，靜壓提高，馬赫數(shù)降低。參數(shù)研究表明：較低的總溫會導致更劇烈的凝結(jié)，結(jié)果會出現(xiàn)凝結(jié)后噴管出口靜溫反而更高

8、的情況。此外，相同總溫條件下，隨著初始水蒸氣含量的增大，凝結(jié)強度先增大后減小。氮氣凝結(jié)方面，則嘗試發(fā)展了可適用于模擬氮氣同質(zhì)凝結(jié)的數(shù)值程序。通過與以往文獻對比，我們發(fā)現(xiàn)同質(zhì)凝結(jié)理論并不能精確預測氮氣的凝結(jié)。這是由于實驗過程中試驗氣體里不可避免地混有極少量其它氣體如水蒸氣、二氧化碳等，在膨脹過程中沸點高的氣體會首先形成極小的液滴，這些異質(zhì)的凝結(jié)核提供了氮氣異質(zhì)成核的基礎(chǔ)。因此，在評估實際風洞中氮氣凝結(jié)時，兼顧考慮異質(zhì)成核才能給出更準確的結(jié)

9、論。
　　 通過本文的討論，我們得到了一系列有意義的結(jié)果：對凝結(jié)過程的氣動分析提出了新的見解，強調(diào)了質(zhì)量消耗的重要性，為深入分析氣體凝結(jié)指出了新的方向；詳細討論了激波管中的凝結(jié)現(xiàn)象，給出的理論漸近解很好地解釋了其流動特點；分析了有界區(qū)域內(nèi)Prandtl-Meyer 流動中凝結(jié)與噴管中凝結(jié)的類似性，提出了半平面區(qū)域Prandtl-Meyer 流動中凝結(jié)的空間振蕩分布；詳細討論了燃燒加熱風洞中水蒸氣的凝結(jié)，為燃燒加熱風洞的發(fā)展提供了