高速蒸汽非平衡凝結(jié)流動的研究進展

　　針對高速蒸汽非平衡凝結(jié)流動的研究進展及現(xiàn)狀，從實驗研究、理論研究和數(shù)值模擬等方面給予了介紹。對實驗研究進展以及凝結(jié)理論中成核理論和液滴生長理論的研究進展、應(yīng)用情況做了概述;著重介紹了數(shù)值模擬研究的進展及現(xiàn)狀，尤其對較為成熟的單流體數(shù)值模型和嚴謹完善的雙流體模型的特點、應(yīng)用情況及數(shù)值模擬結(jié)果做了詳細的闡述，以期對高速蒸汽非平衡凝結(jié)流動方面的研究及成果的推廣應(yīng)用起到促進作用。

　　水蒸汽從氣相到液相的轉(zhuǎn)變過程稱為水蒸汽凝結(jié)過程。若蒸汽處于過飽和狀態(tài)時才開始凝結(jié)則稱為非平衡凝結(jié)。在動力、化工、核能、冶金等領(lǐng)域中蒸汽非平衡凝結(jié)是普遍存在的現(xiàn)象，像汽輪機、噴嘴、超音速風洞、蒸汽噴射泵等流場中，蒸汽往往處于跨音速或超音速流動狀態(tài)，再加上蒸汽強烈的可壓縮性，極易導(dǎo)致非平衡凝結(jié)現(xiàn)象發(fā)生。凝結(jié)發(fā)生后，水蒸汽幾乎吸收了全部的凝結(jié)潛熱，導(dǎo)致流場性質(zhì)的劇烈變化，可能產(chǎn)生凝結(jié)激波等現(xiàn)象。由此可見，水蒸汽非平衡凝結(jié)流動過程是一個伴隨著非平衡凝結(jié)、凝結(jié)激波等現(xiàn)象的復(fù)雜過程，其不僅帶來對設(shè)備腐蝕的危害，還引起動力損失。何況，水蒸汽的非平衡凝結(jié)問題屬于相變問題，而相變的數(shù)學(xué)理論被列為21世紀的100 個科學(xué)難題之一，可見，對高速流動中蒸汽非平衡凝結(jié)流動的研究不僅具有巨大的工程實際意義，還具有很高的學(xué)術(shù)價值。經(jīng)過幾十年各國專家學(xué)者的不懈努力，對水蒸汽非平衡凝結(jié)流動研究無論在實驗研究、理論研究，還是在數(shù)值模擬方面都取得了巨大的成就。

1、實驗研究

　　早在1897 年，Wilson 就將膨脹云室方法引入到成核、凝結(jié)問題的研究中，經(jīng)過Allard 和Kassner改進，實現(xiàn)了對凝結(jié)液滴計數(shù)，得出了與過飽和度有關(guān)的成核率。而Langsdorf于1939 發(fā)明了擴散云室法，由于該方法實現(xiàn)了對成核過程的控制以及對整個實驗過程的測量和觀察，在研究成核或凝結(jié)現(xiàn)象方面受到廣泛應(yīng)用。此外，借助噴管和激波管進行研究也是比較廣泛的。

　　自1936 年P(guān)randtl給出噴管流場中的斜“X-Shock”并將其產(chǎn)生原因解釋為水蒸汽凝結(jié)對流場的影響后， 凝結(jié)成核問題的研究得到了迅速發(fā)展。Wegener 和Wu利用噴管使氣-汽混合氣體快速定常絕熱膨脹獲得了較高冷卻率，就在同年，Conrad首先利用噴管對氣體進行加速膨脹產(chǎn)生凝結(jié)，并測量了凝結(jié)液滴的尺寸。此外，Oswatitsch、Wegener、Frank 等也利用噴管對凝結(jié)現(xiàn)象進行了卓有成效的研究。

　　1951 年，Wegener 和Lundquist 利用膨脹式激波管技術(shù)，使水蒸汽達到很高的過飽和狀態(tài)，對水蒸汽凝結(jié)現(xiàn)象進行了研究。之后，Peters[16]對該方法進行了改進，提高了成核率和液滴生長速率的測量精度。另外，Peters利用其改造后的激波管，得出過飽和狀態(tài)下氫氣- 水汽混合氣體中蒸汽的成核率范圍為107 cm-3s-1~109 cm-3s-1，并且指出過飽和度并不像經(jīng)典成核理論描述的那樣隨著溫度的降低急劇增加。此外，他們還發(fā)現(xiàn)水滴尺度在增長過程中呈現(xiàn)單一分布。1993 年，Looijmans 等基于Peters 的工作，對激波管做了改進，實現(xiàn)了脈沖成核過程，使同質(zhì)成核率的測量精度大大提高。Glass 等使用紋影照片技術(shù)展示了稀疏波膨脹扇內(nèi)的凝結(jié)過程。Barrand 等對激波管驅(qū)動段中稀疏波對水汽- 氨氣和水汽-氮氣混合氣體的作用和凝結(jié)開始的時間做了實驗研究。1995 年，F(xiàn)u 等利用常規(guī)激波管實驗技術(shù)在研究了水汽瞬態(tài)相變過程中發(fā)現(xiàn)瞬態(tài)凝結(jié)溫度存在滯后效應(yīng)。

　　伴隨著蒸汽自發(fā)凝結(jié)流動的實驗研究還存在很多問題亟待解決，目前，蒸汽凝結(jié)流動的測量還很困難，系統(tǒng)的實驗研究成本很大，這也使得實驗研究進展緩慢，尤其在國內(nèi)對伴隨蒸汽非平衡凝結(jié)流動的實驗研究還很少。但是，已有的實驗研究加深了人們對高速流動中蒸汽非平衡凝結(jié)現(xiàn)象的認識，正是在此基礎(chǔ)上，凝結(jié)理論才能從形成走向不斷完善;實驗研究成果也為伴隨著蒸汽非平衡凝結(jié)流動的數(shù)值模擬研究提供了寶貴的驗證數(shù)據(jù)，有力的支持了數(shù)值模擬研究的開展。

結(jié)語

　　本文就高速蒸汽非平衡凝結(jié)流動的研究進展及現(xiàn)狀，從實驗、理論和數(shù)值模擬等方面做了綜述。實驗研究是蒸汽非平衡凝結(jié)流動數(shù)據(jù)資料的最可靠來源，雖然實驗研究還存在測量困難、成本昂貴等問題，但是通過實驗研究，加深了人們對蒸汽非平衡凝結(jié)流動現(xiàn)象的認識，并且積累了寶貴的實驗數(shù)據(jù)，有力地支持了理論和數(shù)值模擬研究;從凝結(jié)理論的研究進展和應(yīng)用情況來看，理論研究進展緩慢，現(xiàn)在普遍使用的成核模型和液滴生長模型大多是幾十年前的成果，其中Kantrowitz 的非等溫修正成核模型和Young 的液滴生長模型較為完善，應(yīng)用最為廣泛;在數(shù)值模擬研究方面，目前建立的數(shù)值模型主要有顆粒軌跡模型、單流體模型和雙流體模型。從模擬結(jié)果來看，顆粒軌跡模型面臨著高維計算、收斂速度和計算量等的限制，單流體模型面對汽液兩相間的作用情況、汽液相間作用對流場影響、液相流動特性和參數(shù)分布等問題卻無能為力，而雙流體模型克服了上述模型的不足，不僅能對蒸汽非平衡凝結(jié)流動進行準確地描述，還能得出液相的流動特性和重要參數(shù)分布，從而能更好地揭示凝結(jié)對流場的影響和汽、液相間作用。近年來，隨著人們對蒸汽非平衡凝結(jié)流動本質(zhì)認識的不斷深入，以及計算流體力學(xué)等相關(guān)學(xué)科的飛速發(fā)展，通過建立合理、準確、可靠的數(shù)值模型，從數(shù)值模擬角度對蒸汽非平衡凝結(jié)流動進行研究必將成為一種趨勢。