伴隨凝結(jié)的無粘可壓縮流動(dòng)研究.pdf

1、伴隨凝結(jié)的可壓縮流動(dòng)是一個(gè)非常普遍的流動(dòng)現(xiàn)象，在傳統(tǒng)工業(yè)如汽輪機(jī)、風(fēng)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(xué)性質(zhì)。流場的改變直接影響了設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，如汽輪機(jī)運(yùn)行效率降低、風(fēng)洞偏離設(shè)計(jì)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(dòng)的影響程度，主要包括兩方面內(nèi)容：一是基本流動(dòng)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(fēng)洞兩個(gè)典型

2、應(yīng)用中的凝結(jié)，分別是燃燒加熱風(fēng)洞中水蒸氣的凝結(jié)，常規(guī)高超風(fēng)洞中氮?dú)獾哪Y(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(qiáng)的基礎(chǔ)研究背景和工業(yè)價(jià)值。
　　 本文首先從理論分析凝結(jié)的氣動(dòng)效應(yīng)入手，討論凝結(jié)啟動(dòng)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(gè)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(fù)雜度，但同時(shí)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(gè)

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(qiáng)。在分析了典型物質(zhì)水、壬烷凝結(jié)時(shí)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(jìn)一步地，通過綜合考慮加熱與減質(zhì)兩個(gè)因素，給出了關(guān)于凝結(jié)引起的非定常波的波強(qiáng)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(qiáng)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(dāng)凝結(jié)氣體的速度低于來流流速時(shí)，非定常波的差別將更大。
　　 從氣動(dòng)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(yàn)證上述分析，我們首先考慮了噴管中凝結(jié)的兩個(gè)典型算例及激波管中凝結(jié)的啟動(dòng)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(gè)波系一一吻合。
　　 在激波管中凝結(jié)的研究中，更進(jìn)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(dòng)階段、振蕩階段、漸近階段三個(gè)

5、階段的概念，并分析了不同初始參數(shù)情況下啟動(dòng)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(gè)壓力、溫度的平臺(tái)。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(jìn)一步討論了二維繞角膨脹流（Prandtl-Meyer 流動(dòng)）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(dòng)中，凝結(jié)在空間中呈現(xiàn)較強(qiáng)的二維效應(yīng)，沿徑向振蕩型分布?？梢园l(fā)現(xiàn)，激波管中凝結(jié)隨時(shí)間的振蕩與半平面區(qū)域Prandtl-Meyer 流動(dòng)中凝結(jié)隨徑向的振蕩有一定的時(shí)空相似性。
　　 在完成關(guān)于基本流動(dòng)中凝結(jié)的討論之后，我們開展了風(fēng)洞中凝結(jié)現(xiàn)象的研究。風(fēng)洞中的凝結(jié)現(xiàn)象直接影響了流場的品質(zhì)及模型實(shí)驗(yàn)的精準(zhǔn)度。然而由于種種原因，國外的相關(guān)報(bào)道并不詳實(shí)。本文開展的工作中，詳細(xì)討論了燃燒加熱風(fēng)洞中水蒸氣的凝結(jié)，初步分析了常規(guī)高超風(fēng)洞中

7、氮?dú)獾哪Y(jié)。燃燒加熱風(fēng)洞方面，著重討論大擴(kuò)張比噴管流動(dòng)中所伴隨的非平衡凝結(jié)過程對風(fēng)洞試驗(yàn)段流場參數(shù)的影響，揭示凝結(jié)效應(yīng)對燃燒加熱風(fēng)洞運(yùn)行影響的物理機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)，由于燃燒加熱風(fēng)洞的試驗(yàn)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(diǎn)，在數(shù)值模擬時(shí)應(yīng)考慮高溫氣體效應(yīng)。水蒸氣的凝結(jié)，改變了風(fēng)洞試驗(yàn)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(huì)導(dǎo)致更劇烈的凝結(jié)，結(jié)果會(huì)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(qiáng)度先增大后減小。氮?dú)饽Y(jié)方面，則嘗試發(fā)展了可適用于模擬氮?dú)馔|(zhì)凝結(jié)的數(shù)值程序。通過與以往文獻(xiàn)對比，我們發(fā)現(xiàn)同質(zhì)凝結(jié)理論并不能精確預(yù)測氮?dú)獾哪Y(jié)。這是由于實(shí)驗(yàn)過程中試驗(yàn)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(diǎn)高的氣體會(huì)首先形成極小的液滴，這些異質(zhì)的凝結(jié)核提供了氮?dú)猱愘|(zhì)成核的基礎(chǔ)。因此，在評估實(shí)際風(fēng)洞中氮?dú)饽Y(jié)時(shí)，兼顧考慮異質(zhì)成核才能給出更準(zhǔn)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(dòng)分析提出了新的見解，強(qiáng)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(xì)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(dòng)特點(diǎn)；分析了有界區(qū)域內(nèi)Prandtl-Meyer 流動(dòng)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(dòng)中凝結(jié)的空間振蕩分布；詳細(xì)討論了燃燒加熱風(fēng)洞中水蒸氣的凝結(jié)，為燃燒加熱風(fēng)洞的發(fā)展提供了