伴随凝结的无粘可压缩流动研究

论文摘要

伴随凝结的可压缩流动是一个非常普遍的流动现象,在传统工业如汽轮机、风洞及新兴技术如超紫外光刻技术等中应用广泛。气体转变为液体的凝结过程,伴随着凝结潜热的释放,急剧改变了流场的热力学性质。流场的改变直接影响了设备的运行状态,如汽轮机运行效率降低、风洞偏离设计参数等。本文研究凝结的自激发自抑制的基本过程对流动的影响程度,主要包括两方面内容:一是基本流动如一维管流、二维喷管流、绕角流中的凝结,着重于讨论、评估凝结引起的波现象;二是风洞两个典型应用中的凝结,分别是燃烧加热风洞中水蒸气的凝结,常规高超风洞中氮气的凝结,着重于分析凝结对流场参数的影响。这两方面均有较强的基础研究背景和工业价值。本文首先从理论分析凝结的气动效应入手,讨论凝结启动过程中的非定常波系。凝结过程中包含了潜热释放、气体消耗、液滴增加三个子过程。通常研究中仅仅考虑加热过程,这一近似极大地简化了研究的复杂度,但同时也带来一定误差。我们对这一假设重新评估,发现潜热释放和气体消耗两个过程共同决定了非定常波的表现。在评估中,分别使用一维加热模型和减质模型讨论了潜热释放和气体消耗两过程中产生的非定常波的波强。在分析了典型物质水、壬烷凝结时的热量添加比率与质量减少比率之间的关系后,本文发现气体消耗引起的非定常波不容忽视。进一步地,通过综合考虑加热与减质两个因素,给出了关于凝结引起的非定常波的波强的合理评估。结果发现,综合考虑热质影响与仅考虑热影响所得到的非定常波的波强相差较大,对于水蒸气差别约为15%～20%,对于壬烷则约为30%～60%。当凝结气体的速度低于来流流速时,非定常波的差别将更大。从气动理论的分析可以总结出,水蒸气的凝结中加热过程占据主要地位。为验证上述分析,我们首先考虑了喷管中凝结的两个典型算例及激波管中凝结的启动过程,发现其中的非定常波系与加热分析所得到的三个波系一一吻合。在激波管中凝结的研究中,更进一步地,我们讨论了无限长激波管中的凝结现象,引入了启动阶段、振荡阶段、渐近阶段三个阶段的概念,并分析了不同初始参数情况下启动阶段和振荡阶段的表现。在渐近阶段,随着流场不断演化,可以发现一个压力、温度的平台。从平衡凝结概念出发,我们求得了同质凝结的理论渐近解,与数值结果相比十分吻合。受激波管中凝结振荡的启发,我们进一步讨论了二维绕角膨胀流（Prandtl-Meyer流动）中的凝结。其中有界区域内的凝结,与喷管中凝结有类似之处。随着初始过饱和度的不断提高,可以依次发现亚临界、稳定凝结激波、振荡激波等现象。而在半平面区域绕角流动中,凝结在空间中呈现较强的二维效应,沿径向振荡型分布。可以发现,激波管中凝结随时间的振荡与半平面区域Prandtl-Meyer流动中凝结随径向的振荡有一定的时空相似性。在完成关于基本流动中凝结的讨论之后,我们开展了风洞中凝结现象的研究。风洞中的凝结现象直接影响了流场的品质及模型实验的精准度。然而由于种种原因,国外的相关报道并不详实。本文开展的工作中,详细讨论了燃烧加热风洞中水蒸气的凝结,初步分析了常规高超风洞中氮气的凝结。燃烧加热风洞方面,着重讨论大扩张比喷管流动中所伴随的非平衡凝结过程对风洞试验段流场参数的影响,揭示凝结效应对燃烧加热风洞运行影响的物理机理。研究发现,由于燃烧加热风洞的试验气体中含有大量水蒸气,在喷管膨胀过程中,凝结是不可避免的。由于其高总温特点,在数值模拟时应考虑高温气体效应。水蒸气的凝结,改变了风洞试验段参数:静温提高,静压提高,马赫数降低。参数研究表明:较低的总温会导致更剧烈的凝结,结果会出现凝结后喷管出口静温反而更高的情况。此外,相同总温条件下,随着初始水蒸气含量的增大,凝结强度先增大后减小。氮气凝结方面,则尝试发展了可适用于模拟氮气同质凝结的数值程序。通过与以往文献对比,我们发现同质凝结理论并不能精确预测氮气的凝结。这是由于实验过程中试验气体里不可避免地混有极少量其它气体如水蒸气、二氧化碳等,在膨胀过程中沸点高的气体会首先形成极小的液滴,这些异质的凝结核提供了氮气异质成核的基础。因此,在评估实际风洞中氮气凝结时,兼顾考虑异质成核才能给出更准确的结论。通过本文的讨论,我们得到了一系列有意义的结果:对凝结过程的气动分析提出了新的见解,强调了质量消耗的重要性,为深入分析气体凝结指出了新的方向;详细讨论了激波管中的凝结现象,给出的理论渐近解很好地解释了其流动特点;分析了有界区域内Prandtl-Meyer流动中凝结与喷管中凝结的类似性,提出了半平面区域Prandtl-Meyer流动中凝结的空间振荡分布;详细讨论了燃烧加热风洞中水蒸气的凝结,为燃烧加热风洞的发展提供了有价值的参考;初步探讨了氮气的凝结,为进一步研究氮气凝结奠定了基础,指明了方向。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 问题描述
• 1.2 研究进展
• 1.3 本文工作
• 第二章 物理模型和数值方法
• 2.1 凝结的物理模型
• 2.1.1 成核模型
• 2.1.2 液滴增长模型
• 2.2 伴随凝结的两相流动的物理模型
• 2.2.1 控制方程
• 2.2.2 基于液滴分布的证明
• 2.2.3 控制方程的扩展
• 2.3 数值方法
• 2.3.1 流场计算方法
• 2.3.2 源项计算方法
• 2.4 本章小结
• 第三章 凝结引起的波
• 3.1 加热过程中的非定常波
• 3.1.1 加热引起的非定常波系
• 3.1.2 各非定常波波强
• 3.2 质量消耗中的非定常波
• 3.2.1 速度为零α= 0
• 3.2.2 速度与主流一致α= 1
• 3.2.3 质量消耗过程中波的对比
• 3.3 典型物质的热交换与质量交换对比
• 3.4 热质耦合过程中的非定常波
• 3.5 典型气体的凝结
• 3.5.1 波强
• 3.5.2 耦合、α=1 过程与加热过程的对比
• 3.6 本章小结
• 第四章 典型超声速流动中的凝结
• 4.1 细长喷管中的凝结
• 4.1.1 计算模型
• 4.1.2 结果讨论
• 4.2 激波管流动中的凝结
• 4.2.1 激波管流动的简单描述
• 4.2.2 模型及计算方法
• 4.2.3 破膜初期凝结的启动过程
• 4.2.4 激波管中凝结引起的振荡
• 4.2.5 激波管中凝结的渐近发展
• 4.2.6 小结
• 4.3 Prandtl-Meyer 膨胀流动中的凝结
• 4.3.1 Prandtl-Meyer 流动的描述
• 4.3.2 结果与讨论
• 4.3.3 小结
• 4.4 本章小结
• 第五章 风洞中的凝结现象
• 5.1 燃烧加热风洞中水蒸气的凝结
• 5.1.1 物理模型及数值方法
• 5.1.2 程序验证
• 5.1.3 结果讨论
• 5.1.4 小结
• 5.2 常规高超风洞中氮气的凝结
• 5.2.1 物理模型
• 5.2.2 计算结果对比
• 5.3 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 附录A 物理性质
• A.1 几种物质的基本性质
• A.2 水蒸气、氮气和氧气的性质
• 20'>A.2.1 水蒸气H₂0
• 2'>A.2.2 氮气N₂
• 2'>A.2.3 氧气0₂
• A.3 输运特性
• 附录B 准一维喷管中加热分析
• B.1 方程推导
• B.2 S2 相图演变
• B.3 关于多奇点的讨论
• B.4 S2 的振荡模式
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果