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376 激波管膨胀流动中水蒸气的凝结及其对流场的影响 秦朝中1王关利1杨基明1 罗喜胜2 (1．中国科学技术大学力学与机械工程系，合肥230027：2．亚琛工业大学激波实验室，德国亚琛) 摘要：本文采用激波管实验和数值模拟的方法，对变截面管道流动中的非平衡凝结现象、凝结激波以及旋涡 等非定常流动进行了初步的研究。结果表明，在膨胀波的作用下，水蒸汽的凝结释放热量对局部流场进行加热， 使流场参数发生扰动而产生凝结激波；在释放潜热的作用下，流场拐角处诱导的涡结构发生了变化，涡的强度 被显著削弱。 关键词： 水蒸汽；膨胀波；凝结激波；涡 1引言 低于其临界温度的物质可以表现为气态或液态，这主要依赖于它温度和压力的大小。以水蒸汽为例， 当含有大量水蒸汽的混合气体受到膨胀后，随着温度的降低会快速结核并形成小液滴。可见在高速流动 过程中，由于受到膨胀，流场中的热力学参数将发生明显改变，如果此时流场中含有大量的可凝结气体， 就会发成相的改变。在我们的日常生活中，相变也是一种很常见的现象，如凝结和蒸发。当大气中水蒸 汽的相对饱和度达到过饱时，就会发生凝结，水蒸气凝结成液态水时就会向周围的环境释放潜热，从而 提高了环境的温度，这一过程又反过来对环境介质的状态产生影响。 有关凝结的研究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着确定的应用背景，如 涡轮机和飞机在大气层中跨音速飞行中的凝结现象已经得到了广泛的研究。凝结对喷管流动的影响研究 可追溯至上世纪三十年代，当时学者们观察到喷管中产生了预想外的流动，他们都无法解释这种现象， SHOCK”，并揭示了该激波为水蒸汽凝结对流场的影响所致，到目前，喷管中的膨胀现象常常被用来 观察凝结的物理现象，由此，有关水蒸汽凝结现象的研究得到了迅速的发展【2。3】。在数值模拟方面，90 翼的跨音速飞行问题，并给出升力和阻力的变化，结果表明，在与干空气情况下相比，由于潜热的影响， 机翼的升力增加30％，而压力阻力则增加200％，可见凝结现象的影响视十分显著得。在国内，对流场 中的凝结现象研究得比较很少，史林等[4】在激波管中开展了凝结实验研究，并采用激光散射方法测量 和分析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，但是没有具体的研究凝结激波 和凝结激波与周围流场的相互作用情况。 本文利用激波管实验和数值模拟，对强非定常稀疏波通过湿空气时，水蒸气的非平衡凝结过程及其 对流场的影响进行了观察和分析，以求获得机理的认识，并考察了已有非平衡凝结理论模型的正确性。 2实验装置和方法 实验是在激波管中进行的，装置如图1所示，左面部分为高压驱动段(1atm)，右面部分为低压被 驱动段，实验段部分位于高压段，膜片距离左端壁1．7米处。图2表示的是观察凝结激波与涡现象的实 验段部分，试验段为40毫米x70毫米矩形截面，内镶长80毫米、高40毫米的矩形方块形成突变截面， 在突变截面的下游安置逸传感器，传感器距离方块右端部20毫米，距离实验段上端部20毫米，以测量 该处压力的变化。 实验中是通过真空泵抽气而得到所需的压比，关掉水蒸汽产生装置，打开氮气可以得到湿度为零的 试验气体；通过改变步骤，关掉氮气，打开水蒸汽产生装置并通过湿度计监测可以得到所需湿度的试验 气体。具体实验过程是，低压段通过真空泵抽气，达到所需压力比后破膜，这时产生一道强稀疏波向左 传播，当到达传感器位置时，传感器开始记录数据。 1．饱和的水蒸汽2．干燥的氮气 3．真空泵4．压力计5．膜片6．湿度计与温度计7．试验段部分 图l 实验装置示意图 图2 实验段部分示意图 3数值模拟 在数值计算中，我们采用二维非定常欧拉方程和理想气体的状态方程，计算格式基于非结构四边形 网格的MUSCL格式，采用自适应技术提高激波和间段面的分辨率，并结合了经典成核理论和水滴生长 模型[5]，控制方程为： 型l堡+箜：Sod- L I， 一一+一= (1) 戡 8x m