Prandtl-Meyer膨胀波中凝结的初步研究.docVIP

 n Prandtl-Meyer 膨胀波中凝结的初步研究# 曹贇，罗喜胜** （中国科学技术大学近代力学系，合肥，230026） 5 10 15 20 25 30 35 40 摘要：含有水蒸气的气流，经过快速膨胀，温度降低，水蒸气凝结放热，影响流场结构。这 一点在 Prandtl-Meyer 膨胀波中尤为明显。为此，通过流场显示的方法，观察了不同来流湿 度下，后台阶流所形成膨胀波中，凝结对流场结构的影响。发现随着来流湿度的增加，凝结 区域中会产生一道由弱到强的凝结激波。而湿度过大时，又会在上游产生一道正激波，反而 抑制了下游的凝结。同时通过数值模拟，与实验研究进行比较验证，结果基本一致。数值模 拟还发现，一定来流条件下，凝 结流场出现自激振荡现象。 关键词：可压流体力学；Prandtl-Meyer 膨胀波；凝结；自激振荡 On Condensation in Prandtl-Meyer Expansion Flow Cao Yun, Luo Xisheng (Department of Modern Mechanics, University of Science and Technology of China, Hefei, 230026) Abstract: The latent heat released by condensation of water vapor in rapid expanded moist air will alter the flow structure especially in Prandtl-Meyer expansion flow. A case of backward-facing step flow was experimentally studied by the flow visualization method. Experiments show that a diabatic shock wave due to the latent heat occurs in the expansion fan. The condensation shock is strengthening with the humidity of the oncoming flow increasing. When the saturation ratio reaches to a certain value, a normal shock wave appears upstream of the sharp edge, which in turn inhibits the condensation downstream. Meanwhile, numerical simulation was carried out for comparing with experiments. The numerical results show the same phenomena as that observed in experiments. Numerical simulation also shows that a self-excited oscillation of diabatic shock wave occurs under certain flow conditions. Key words: Compressible flow, Prandtl-Meyer expansion wave, condensation, self-excited oscillation 0 引言 水蒸气由气态转化为液态的相变过程称为水的凝结，分为同质凝结(凝结核为水分子自 身)和异质凝结(凝结核为杂质粒子)两种。生活中常见的凝结为异质凝结，如降雨、大雾等。 同质凝结多发生于高速膨胀流动，如超声速喷管、超音速飞机的尾流、汽轮机叶片等流动中。 Prandtl-Meyer（PM）膨胀是常见的一种高速膨胀，含水蒸汽的气流经过PM波的快速冷却， 一般会发生凝结。PM波中的凝结与普通的同质或异质凝结现象不同。超声速气流经过拐角 膨胀，马赫数升高，温度和压强都会降低，饱和度S(水蒸气分压与饱和蒸汽压之比)上升， 水蒸气发生凝结，流场呈现出一个分层结构。如图1所示，拐点附近气流膨胀非常快，为非 平衡区。其外侧，随着膨胀速率的降低，水蒸气由同质凝结向异质凝结过渡。凝结产生的热 量会影响流场的温度。凝结生成的液滴，半径约为10 nm 量级，会随流体一起运动。当气体 参数发生变化如压缩时，液滴可能蒸发，气液之间又需要建立新的平衡。这些都会使凝结流 场中产生复杂的流动结构。 基金项目：高等学校博士点专项科研基金资助课题（200