高速膨胀流动中的非平衡凝结及其对流场影响的研究

论文摘要

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，

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究概况
• 1.2.1 成核与生长过程
• 1.2.2 非定常可压缩流动中的相变问题
• 1.3 非定常流场中相变问题的研究现状
• 1.3.1 凝结模型的研究现状
• 1.3.2 非定常流场中凝结问题的研究现状
• 1.4 本文的主要工作
• 参考文献
• 第二章 凝结的数学物理模型
• 2.1 凝结系统的热力学性质
• 2.1.1 热力学自由能
• 2.1.2 表面张力
• 2.2 成核模型
• 2.3 成核模型修正参数的确定
• 2.4 结果验证与讨论
• 2.5 成核率与各参数的关系
• 2.5.1 成核率与表面张力的关系
• 2.5.2 成核率与临界半径的关系
• 2.5.3 成核率与饱和蒸汽压力的关系
• 2.6 饱和蒸汽压力的拟合
• 2.6.1 饱和压力的曲线拟合
• 2.6.2 拟合方程在经典成核理论中的应用
• 2.7 液滴生长模型
• 2.7.1 连续极限（Kn<<1）下的通量
• >1）下的通量'>2.7.2 自由分子极限（Kn>>1）下的通量
• 2.7.3 液滴生长率
• 2.7.4 液滴温度的显示求法
• 2.8 本章小结
• 参考文献
• 第三章 数值和实验方法
• 3.1 引言
• 3.2 控制方程
• 3.2.1 液滴分布控制方程
• 3.2.2 流场控制方程
• 3.3 数值方法
• 3.3.1 有限体积的数值格式和算法
• 3.3.1.1 原始变量的梯度求解
• 3.3.1.2 数值通量求解
• 3.3.2 时间推进方法
• 3.3.2.1 齐次方程的时间推进
• 3.3.2.2 时间步长
• 3.3.3 边界条件的处理
• 3.3.4 网格自适应方法
• 3.3.4.1 非结构四边形网格的数据结构
• 3.3.4.2 自适应策略
• 3.4 实验方法与验证
• 3.4.1 激波管的实验设备与方法
• 3.4.2 压力的测量
• 3.4.3 纹影方法
• 3.5 算例验证
• 3.5.1 激波管问题
• 3.5.2 双马赫反射
• 3.6 本章小结
• 参考文献
• 第四章 激波管流动中的凝结问题的研究
• 4.1 引言
• 4.2 一维激波管流动中的凝结现象
• 4.2.1 一维理论分析
• 4.2.2 非定常膨胀波中的非平衡凝结与凝结激波
• 4.3 凝结激波与膨胀波条件的依赖关系
• 4.3.1 膨胀波强度对凝结激波的影响
• 4.3.2 水蒸汽湿度对凝结激波的影响
• 4.3.3 膨胀波聚集度对凝结激波的影响
• 4.3.4 边界对凝结激波的影响
• 4.4 二维流场中的凝结激波与涡的相互作用
• 4.4.1 凝结激波与涡的相互作用
• 4.4.2 流场参数分布
• 4.5 本章小结
• 参考文献
• 第五章 喷管流动中的气体凝结问题研究
• 5.1 引言
• 5.2 喷管N1中的凝结及其对流场的影响
• 5.2.1 定常喷管流中的凝结
• 5.2.2 温湿度对凝结激波的影响
• 5.3 喷管N2中的凝结对流场性质的影响
• 5.3.1 运动凝结激波的形成过程
• 5.3.2 凝结激波的运动模态
• 5.3.3 初始条件对凝结激波运动模态的影响
• 5.3.4 喷管膨胀率对凝结激波运动模态的影响
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 第六章 结论与展望
• 6.1 本文主要结论
• 6.2 工作展望
• 附录 A
• 附录 B
• 附录 C
• 致谢
• 攻读博士学位期间的论文发表情况