水蒸气超音速流动中的非平衡相变与激波效应

【摘要】： 在自然界和工程领域内,自发凝结的蒸汽两相流动广泛存在,如云雾形成、高空飞行、超音速风洞实验、蒸汽透平以及化工领域等。近年来随着利用低温、低压热源的喷射式热泵的普及,现代核电站安全工程中蒸汽喷射泵显现出良好的应用前景,带TVC(蒸汽压缩器)装置的低温多效蒸发海水淡化技术(MED-TVC)的大力推广,极大推动了人们对于蒸汽超音速流动特性及发生在流动过程中的能量交换与相变过程等特殊流动现象进行机理性研究的要求和兴趣。 由于水蒸气在超音速流动过程中强烈的可压缩性,会表现出与亚音速许多不同的特征,尤其压缩波或者膨胀波的出现,对流动参数产生很大的影响,表现出强烈的多维效应和边界效应。在超音速流动的急剧膨胀降温作用下,蒸汽偏离热力学平衡态形成亚稳状态的过饱和蒸汽,并出现非平衡凝结现象,凝结潜热的释放对蒸汽的膨胀过程产生很大的影响,高速流动使得相变处于非平衡状态,流动状态与理想气体超音速等熵流动有很大区别,流体内部迅速发生气液两相间能量、动量、质量的交换,并产生激波效应。 本文采用计算流体动力学的方法对水蒸气超音速流动过程及伴随发生的非平衡相变及激波效应进行了数值研究。在欧拉坐标系下,引入反映水蒸气真实物性的状态方程,耦合了经Young和Gyarmathy等学者修正并推荐的水蒸气成核模型和液滴生长模型,建立了欧拉形式的守恒型控制方程对气液两相流动和非平衡相变过程进行数值求解。为了对水蒸气超音速流动过程中的瞬态特征进行捕捉,并研究激波耗散、湍动现象对水蒸气凝结流动的影响,计算中引入湍流模型,采用了对激波捕捉具有高精度和高分辨率的Roe-FDS格式进行计算。通过与实验结果的比较,校验了模型及数值方法的可靠性及准确度；在此基础上对缩放喷管中水蒸气的超音速流动、非平衡相变、凝结激波等特殊流动现象进行了数值捕捉,总结了水蒸气超音速非平衡流动的特点和规律。主要研究内容如下： 1)建立了蒸汽超音速喷射过程多维理论模型,对水蒸气超音速流动中的非平衡相变进行了数值模拟,并与超音速等熵流动进行了对比,捕捉到了水蒸气超音速流动过程中发生的非平衡相变现象,揭示了非平衡相变发生的非平衡热力学机理,给出了蒸汽喷射过程中压力、温度、速度、蒸汽成核率、液滴粒径、两相密度等热力学参数的定量分布和变化规律,探讨了水蒸气发生非平衡相变的热力学流动规律。 2)研究了水蒸气超音速流动过程中非平衡相变发生、发展的热力学过程,捕捉到凝结激波这一非平衡热力学现象。对水蒸气非平衡相变和凝结激波的压力特性、温度特性以及其他热力学特征进行了系统分析,探讨了尺度效应对两相非平衡流动和凝结激波的影响。对比分析了不同进口压力、温度、过冷度、过饱和度等初始条件对水蒸气喷射过程中超音速区域发生的非平衡相变和凝结激波的影响规律,给出了膨胀率对蒸汽非平衡相变的作用规律。 3)研究了蒸汽超音速流动过程中的边界效应,分析了凝结激波的形成机理,得到了凝结激波发生及发展的“X”型分布特征,以液相质量增长率为基准,将凝结激波分为三个区域,即凝结激波起始发生区(Condensation Shock Developing Region)、凝结激波交汇区(Condensation Shock Intersecting Region)和凝结激波消退区(Condensation Shock Fading Region),归纳了凝结激波的分区物理特性和并完成了凝结激波的热力学特征分析。 4)开展了气动激波与凝结激波的耦合计算,比较了蒸汽超音速流动过程中气动激波与凝结激波的机理性和结构性差异,探讨了气动压缩激波对超音速流动中非平衡相变及凝结激波的影响规律。分析了气动激波波锋面与凝结激波波锋面相遇时,压缩激波与核化凝结流动之间相互作用的非平衡流动规律,研究显示当非平衡状态的高速水蒸气与气动压缩激波相遇时,波峰面上蒸汽参数发生剧烈变化,激波的耗散效应使得两相流动速度瞬间减小,动能与势能瞬间转化,蒸汽温度骤然升高,大量微小的液滴急速蒸发,核化凝结产生的凝结激波减弱甚至消失,两相流动变成单相流动。