非定常流中水的非平衡相变.pdfVIP

非定常流中水的非平衡相变 *， 1) * ** 罗喜胜 程万 M.E.H. van Dongen * （中国科技大学近代力学系，合肥 230027 ） ** （Eindhoven University of Technology ，5600MB Eindhoven, The Netherlands ） 摘要 基于 Hill 的矩方法，建立了一个新的描述可压缩流动中气液相变问题的物理模型。该模型综合考虑 了成核、液滴增长两个凝结过程及液滴蒸发、去核化两个蒸发过程。通过将此模型应用到无粘流动中，发 展了两套求解伴随相变流动的数值方法。首先研究了封闭激波管水蒸气相变现象。激波管启动后，激波向 低压区传播，稀疏波向高压区传播。稀疏波波后水蒸气发生成核和液滴增长，凝结释放潜热影响膨胀波的 结构。激波遇壁面反射后向高压区传播，经过凝结区域，使得液态水发生液滴蒸发和去核化过程。其次， 研究了湿氮气脉冲膨胀管中水蒸气的凝结。脉冲膨胀管可以区分研究凝结过程和液滴增长过程，其实验结 果与计算结果的对比验证了凝结模型。最后，研究了三种 Ludwieg 管中水蒸气凝结问题，刻画了凝结对可 压缩流动的影响。 关键词 非平衡相变，脉冲膨胀管，Ludwieg 管，ASCE2D ，CESE 方法 引 言 湿蒸气经过膨胀后，若达到过饱和状态，则可能发生凝结现象。当考虑高速膨胀中水蒸气凝结 时，水分子自发结核的同质成核[1,2]起主导作用。凝结释放潜热，会对流场产生影响。当潜热添加 到跨声速气流中时，会引起流动状态的强烈变化，产生一系列流动不稳定性现象[3-9]。凝结在蒸汽 轮机、超声速风洞、高压管道的阀门突然开启等现象中均有发生。喷管和膨胀波管是研究液滴形成 和增长的有效工具，可以测得成核率在较大压强、温度、过饱和度范围内的分布[10-12]。此外，水 分子附着在以灰尘、粒子等形式存在的凝结核也会发生凝结，此种成核过程称为异质成核。若过饱 和度较大，即气流经受的冷却率较大，则同质核化起主导作用，异质核化影响较小。而异质核化的 影响程度也与气流中所含异质核的浓度有关。本文的研究仅考虑水分子自发凝结的同质过程。至今 为止，非定常流动中凝结产生的影响已经得到了较为详备的研究[8][13]。湍流中液滴蒸发的数值模 拟研究也已有所报道[14,15]。 本文着眼于复杂流动中的凝结与蒸发现象。考虑由水蒸气、液滴和试验气体形成的混合物，其 中水质量最大含量不超过 0.01，液滴最大约为 1μm ，与气流均匀混合。液滴的产生及增长过程由矩 方法统一描述[16]。矩方法考虑液滴尺寸分布函数的低阶矩函数的动力学演化方程，起初由 Hill 发 展用来计算喷管流动中的凝结。Brown[17]和 Mundinger[18]分别基于此方法，发展了可计算无粘或 湍性流动喷管中凝结问题的数值方法。Put[20-22]则考虑了真实气体效应。 前人在对相变过程建模时，均忽略了蒸发时粒子的减少。在对复杂流动的相变问题进行数值模 拟时，蒸发区域中再次凝结发生，会产生因忽略粒子减少而存在的异质核化，严重违背了实际情形。 本文中扩展了 Hill 的矩方法，将去核化过程融合其中，建立了新的相变物理模型[13][23]。基于此模 型，发展了两套用于计算复杂流动中相变问题的数值方法。 1 物理模型及矩方法 采用的两相流动模型由描述无粘流动的 Euler 方程和描述凝结的矩方程组成[16]。联立Euler 方程与矩方程，控制方程可以表示为： 1) E-mail: xluo@ustc.edu.cn ur ur ur ∂U ∂F ∂G ur + + S (1)