高速蒸汽非平衡凝結流動(dòng)的研究進(jìn)展

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

　　水蒸汽從氣相到液相的轉變過(guò)程稱(chēng)為水蒸汽凝結過(guò)程。若蒸汽處于過(guò)飽和狀態(tài)時(shí)才開(kāi)始凝結則稱(chēng)為非平衡凝結。在動(dòng)力、化工、核能、冶金等領(lǐng)域中蒸汽非平衡凝結是普遍存在的現象，像汽輪機、噴嘴、超音速風(fēng)洞、蒸汽噴射泵等流場(chǎng)中，蒸汽往往處于跨音速或超音速流動(dòng)狀態(tài)，再加上蒸汽強烈的可壓縮性，極易導致非平衡凝結現象發(fā)生。凝結發(fā)生后，水蒸汽幾乎吸收了全部的凝結潛熱，導致流場(chǎng)性質(zhì)的劇烈變化，可能產(chǎn)生凝結激波等現象。由此可見(jiàn)，水蒸汽非平衡凝結流動(dòng)過(guò)程是一個(gè)伴隨著(zhù)非平衡凝結、凝結激波等現象的復雜過(guò)程，其不僅帶來(lái)對設備腐蝕的危害，還引起動(dòng)力損失。何況，水蒸汽的非平衡凝結問(wèn)題屬于相變問(wèn)題，而相變的數學(xué)理論被列為21世紀的100 個(gè)科學(xué)難題之一，可見(jiàn)，對高速流動(dòng)中蒸汽非平衡凝結流動(dòng)的研究不僅具有巨大的工程實(shí)際意義，還具有很高的學(xué)術(shù)價(jià)值。經(jīng)過(guò)幾十年各國專(zhuān)家學(xué)者的不懈努力，對水蒸汽非平衡凝結流動(dòng)研究無(wú)論在實(shí)驗研究、理論研究，還是在數值模擬方面都取得了巨大的成就。

1、實(shí)驗研究

　　早在1897 年，Wilson 就將膨脹云室方法引入到成核、凝結問(wèn)題的研究中，經(jīng)過(guò)Allard 和Kassner改進(jìn)，實(shí)現了對凝結液滴計數，得出了與過(guò)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(shí)現了對成核過(guò)程的控制以及對整個(gè)實(shí)驗過(guò)程的測量和觀(guān)察，在研究成核或凝結現象方面受到廣泛應用。此外，借助噴管和激波管進(jìn)行研究也是比較廣泛的。

　　自1936 年P(guān)randtl給出噴管流場(chǎng)中的斜“X-Shock”并將其產(chǎn)生原因解釋為水蒸汽凝結對流場(chǎng)的影響后， 凝結成核問(wèn)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(jìn)行加速膨脹產(chǎn)生凝結，并測量了凝結液滴的尺寸。此外，Oswatitsch、Wegener、Frank 等也利用噴管對凝結現象進(jìn)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(guò)飽和狀態(tài)，對水蒸汽凝結現象進(jìn)行了研究。之后，Peters[16]對該方法進(jìn)行了改進(jìn)，提高了成核率和液滴生長(cháng)速率的測量精度。另外，Peters利用其改造后的激波管，得出過(guò)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(guò)飽和度并不像經(jīng)典成核理論描述的那樣隨著(zhù)溫度的降低急劇增加。此外，他們還發(fā)現水滴尺度在增長(cháng)過(guò)程中呈現單一分布。1993 年，Looijmans 等基于Peters 的工作，對激波管做了改進(jìn)，實(shí)現了脈沖成核過(guò)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的凝結過(guò)程。Barrand 等對激波管驅動(dòng)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開(kāi)始的時(shí)間做了實(shí)驗研究。1995 年，Fu 等利用常規激波管實(shí)驗技術(shù)在研究了水汽瞬態(tài)相變過(guò)程中發(fā)現瞬態(tài)凝結溫度存在滯后效應。

　　伴隨著(zhù)蒸汽自發(fā)凝結流動(dòng)的實(shí)驗研究還存在很多問(wèn)題亟待解決，目前，蒸汽凝結流動(dòng)的測量還很困難，系統的實(shí)驗研究成本很大，這也使得實(shí)驗研究進(jìn)展緩慢，尤其在國內對伴隨蒸汽非平衡凝結流動(dòng)的實(shí)驗研究還很少。但是，已有的實(shí)驗研究加深了人們對高速流動(dòng)中蒸汽非平衡凝結現象的認識，正是在此基礎上，凝結理論才能從形成走向不斷完善;實(shí)驗研究成果也為伴隨著(zhù)蒸汽非平衡凝結流動(dòng)的數值模擬研究提供了寶貴的驗證數據，有力的支持了數值模擬研究的開(kāi)展。

結語(yǔ)

　　本文就高速蒸汽非平衡凝結流動(dòng)的研究進(jìn)展及現狀，從實(shí)驗、理論和數值模擬等方面做了綜述。實(shí)驗研究是蒸汽非平衡凝結流動(dòng)數據資料的最可靠來(lái)源，雖然實(shí)驗研究還存在測量困難、成本昂貴等問(wèn)題，但是通過(guò)實(shí)驗研究，加深了人們對蒸汽非平衡凝結流動(dòng)現象的認識，并且積累了寶貴的實(shí)驗數據，有力地支持了理論和數值模擬研究;從凝結理論的研究進(jìn)展和應用情況來(lái)看，理論研究進(jìn)展緩慢，現在普遍使用的成核模型和液滴生長(cháng)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(cháng)模型較為完善，應用最為廣泛;在數值模擬研究方面，目前建立的數值模型主要有顆粒軌跡模型、單流體模型和雙流體模型。從模擬結果來(lái)看，顆粒軌跡模型面臨著(zhù)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(chǎng)影響、液相流動(dòng)特性和參數分布等問(wèn)題卻無(wú)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流動(dòng)進(jìn)行準確地描述，還能得出液相的流動(dòng)特性和重要參數分布，從而能更好地揭示凝結對流場(chǎng)的影響和汽、液相間作用。近年來(lái)，隨著(zhù)人們對蒸汽非平衡凝結流動(dòng)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(guò)建立合理、準確、可靠的數值模型，從數值模擬角度對蒸汽非平衡凝結流動(dòng)進(jìn)行研究必將成為一種趨勢。