非定常膨胀过程中水蒸汽凝结对流场影响的数值分析.pdfVIP

维普资讯 计 算 物 理 第23卷 第 1期 CHINESEJOURNALOFCOMPUTATIONALPHYSICS V01．23．No．1 2006年 1月 Jan．．20()6 [文章编号】 1001．246X(2006)01．0109．06 非定常膨胀过程中水蒸汽凝结对流场影响的数值分析 王美利 ， 罗喜胜 ， 杨基 明 (1．中国科学技术大学 力学与机械工程系，安徽 合肥 230027； 2．ShockWaveLaboratory，RWTHAachen，Templergraben55，52056Aachen，Germany) [摘 要】 采用数值方法对激波管非定常膨胀过程中，汽液相变与流场的相互作用进行了模拟．主要研究了含 有水蒸汽的混合气体在激波管中的非平衡凝结过程 以及其对流场的作用．结果表明由于水蒸气的凝结释放热量 对流场局部进行加热，使流场参数发生扰动而产生凝结激波．经过与凝结激波的相互作用后，流场参数和结构 将发生明显的变化 ． [关键词] 水蒸汽；成核 ；凝结；膨胀波 [中图分类号] 0335 [文献标识码] A O 引言 相变是一个非常普遍 的基本物理过程，其中包括凝结、蒸发等现象 ．如大气层中，当水蒸汽的相对饱和度 达到过饱和或大气中有足够多的灰尘粒子和水蒸汽时，就会发生凝结形成云雾等现象，这时凝结的水蒸汽就 向周围环境释放潜热量，使周围环境温度升高，这对所研究的环境来说是一种值得注意的现象．把这种物理 过程与空气动力学过程相结合 ，研究其相互耦合的作用机理 ，不仅具有重要的学术价值 ，而且在很多工程与 技术方面也有 明确的应用背景 ，如湿空气的喷管流动 、涡轮机和飞机在大气层 中跨音速飞行等 ． 超音速喷管流中凝结现象的研究可以追溯到20世纪 30年代 ．当时学者们在用湿空气来启动超音速喷 管时，发现喷管中存在不可解释 的扰动 ．后来 由Prandtl…在圆弧形喷管实验 中用流场显示技术捕捉 了 “x． shock”的激波并解释这种激波是水蒸汽凝结 的结果，继而各种更深入的喷管中水蒸气凝结现象的研究得到 了发展 J．90年代初 Schner等用无粘的2-D欧拉方程并结合 Hill的经典成核理论 ]，数值求解大气层 中湿 空气绕机翼的跨音速飞行问题 ，并给出升力和阻力的变化 ，结果表明，与干空气情况相 比，由于潜热的影响， 机翼的升力增加30％，而压力阻力则增加200％[73．在 国内，对流场中的凝结现象研究得 比较少 ，最近杨顺华 等 以超燃问题为背景研究了水蒸汽凝结在燃烧加热风洞 中的应用 ，史林等[9在激波管 中的凝结实验研究 中采用激光散射方法研究了不同膨胀条件和不同水蒸汽分压对成核速率和凝结速率的影响，但并没有详细 给出成核 、凝结与流场相互作用 的过程 ． 在含有凝结现象的可压缩流问题上虽然已经研究了很久，但直到现在模型理论仍然不够成熟，现有的成 核模型理论在某些条件下与实验数据还有不相符合的现象，尤其是非平衡成核和凝结过程及其与流场的相 互作用问题还没有得到很好的解决 ．本文主要用数值方法研究湿氮气在激波管中的凝结现象 以及其与流场 的相互作用，以期获得对非平衡凝结过程的深入认识 ，对描述这一物理过程理论模型的正确把握 ，为揭示非 定常流动中凝结过程对流场影响的复杂作用机制提供有用信息． 1 数学物理模型和数值方法 在二维无旋、无粘的水蒸气和惰性气体(如氮气)混合流 中，由于温度下降而使混合气体 中的水蒸汽的相 对饱和度增大 ，当水蒸汽的相对饱和度 S1时，水蒸汽将失去平衡而发生凝结 ．一般情况下，在水蒸汽凝结 [收稿 日期]2004—10—18．[修 回日期]2005—04—19 [基金项 目]国家 自然科学基金资助项 目 [作者简介]王美利 (1977一)，男，海南，博士生，从事相变对高速流场影响的数值模拟和实验技术研究，安徽合肥市