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高速膨胀流动中的非平衡凝结及其对流场影响的研究

王美利  
【摘要】:本文采用数值和实验方法,研究高速膨胀流动中的汽液相变,及其与流场的相互作用。流场中的相变常伴随着热的释放(或吸收)并与流场进行耦合而相互影响,使得这一物理过程变得更为复杂。当易于凝结的气体经历高速膨胀过程时,气体伴随着温度的突然下降而达到过饱和状态。在这种极不稳定的状态下,气体将发生成核,继而伴随液滴生长过程并向周围释放潜热。取决于释放潜热的大小,非平衡凝结可能使流场发生热壅塞,甚至形成凝结激波,并与流场变化互馈造成自激振荡等复杂现象。 在高速膨胀流场中,非平衡凝结可以分为两个过程:成核过程和液滴生长过程。在成核模型中,应用得比较广泛的是经典成核理论模型。但该模型采用宏观状态参数代替微观状态参数对核的形成过程进行描述,其计算误差非常大,在很多条件下与实验数据不相符合。本文在经典成核理论的基础上,对其进行改进,重新推导了准平衡条件下的成核率公式,进一步提高了成核率的估算精度,从而使得改进后的理论模型能有效地适用于气体的同质成核过程。 根据Hill矩量方法,可以推导出凝结过程的动力学方程,并结合气体动力学的守恒律方程如欧拉方程或纳维斯托克斯方程,即可完整描述包括相变过程的非定常流动。根据Luo的ASCE2D数值方法,并结合本文改进的成核模型,可对流场的凝结问题进行求解。为了提高求解的精度和效率,此数值方法采用了自适应的非结构四边形网格,在流场密度变化剧烈的区域对网格进行自动加密,在密度变化平缓的区域对网格进行自动粗化。在模拟激波管流动中的气体凝结对流场的影响时,通过与实验测得的压力比较,验证了此数值方法和凝结模型的可靠性。之后,采用数值和实验方法对高速流动研究实验室中常用的设备:激波管和超声速风洞喷管中的水蒸汽凝结现象及其与流场的相互作用进行了研究: 1、激波管凝结问题的研究。首先研究了激波管中的凝结现象以及凝结过程释放的潜热使流场发生扰动而产生凝结激波的过程;继而讨论了二维激波管中的各种条件对凝结激波产生过程的影响;最后研究凝结激波与流场的相互作用。结果表明,流场中液体含量是在成核率达到最大后才开始明显增加。且气体的凝结量随着膨胀波的强度改变而改变。在膨胀率较大的情况下,由于气体凝结释放潜热的影响,流场会产生激波。凝结过程中的相变与流场相互作用使得流场结构或性质参数发生明显的变化。 2、喷管流动中的凝结问题研究。首先采用数值和实验方法研究喷管N1(常规Laval喷管)中的水蒸汽凝结及其对流场的影响。数值和试验结果均表明,当水蒸汽初始相对饱和度较小时,凝结对流场的影响不大,随着饱和度的增加,凝结释放的潜热量将使喷管喉道下游出现“X型”凝结激波。若饱和度继续增大,


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