噴管非平衡態(tài)凝結(jié)研究進展

余建平，劉雨，王美琪，韓永東，胡爽，孟成峰

噴管非平衡態(tài)凝結(jié)研究進展

余建平，劉雨，王美琪，韓永東，胡爽，孟成峰

（蘭州理工大學(xué)，甘肅 蘭州 730050）

氣體節(jié)流過程中會產(chǎn)生溫變效應(yīng)，噴管的凝結(jié)液化在制冷領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。就節(jié)流過程而言，在流動空間各點蒸汽參數(shù)變化劇烈，是典型的非穩(wěn)態(tài)、非平衡態(tài)、熵增的過程。受到流動空間及蒸汽狀態(tài)參數(shù)的影響，節(jié)流中出現(xiàn)變溫、激波、熱聲、渦階等各種有序耗散結(jié)構(gòu)，這些特殊的結(jié)構(gòu)與金屬材料疲勞失效產(chǎn)生相互關(guān)聯(lián)。氣體在經(jīng)過噴管急速流過時存在非平衡凝結(jié)和凝結(jié)激波的產(chǎn)生過程：由于急速膨脹，熱力學(xué)非平衡累積到極限而突然發(fā)生凝結(jié)，在產(chǎn)生大量凝結(jié)核的同時釋放出大量凝結(jié)潛熱，這部分凝結(jié)潛熱釋放到周圍流場，對處于超音速流動狀態(tài)的水蒸氣起到加熱作用，使超音速流動狀態(tài)朝著音速流動狀態(tài)發(fā)展，流場發(fā)生紊亂，導(dǎo)致阻塞凝結(jié)激波的產(chǎn)生。

噴管； 凝結(jié)； 非平衡態(tài)； 激波

超聲速噴嘴內(nèi)的高速流動主要是產(chǎn)生超聲速氣流，在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用較多。在超音速噴管的形成過程中，會產(chǎn)生大量的擾動。其中所含的定?；蚍嵌ǔＧ闆r下激波對流場產(chǎn)生影響，是航空飛行器流動的基礎(chǔ)。噴管是火箭發(fā)動機和導(dǎo)彈動力系統(tǒng)的主要部件，通過控制截面積的大小來調(diào)節(jié)流量大小，膨脹加速使其獲得更大的動能，從而使得航空的動力系統(tǒng)具有較好的巡航能力。拉瓦爾噴管是一種典型的超音速噴管，它通過控制管道截面的變化來調(diào)節(jié)氣體流場的變化。在超聲速流動中，增大截面以提高流體速度。在跨音速的水蒸氣流動中，由于迅速膨脹，容易發(fā)生不平衡的凝結(jié)。冷凝不僅包括相變、傳熱傳質(zhì)，還包括冷凝激波和邊界層間的擾動，這個過程相當(dāng)復(fù)雜。在縮放噴嘴中水蒸氣自發(fā)凝結(jié)流動的研究中，孫秀玲[1]等建立濕空氣非平衡凝結(jié)流動數(shù)值模型，對縮放噴管、透平葉柵及繞 CA-0.1圓弧翼型的濕空氣非平衡凝結(jié)流動進行了數(shù)值分析。楊勇[2-3]等建立跨聲速非平衡流動數(shù)值模型，研究了噴管內(nèi)氣動激波與凝結(jié)激波的相互作用，同時也指出非平衡凝結(jié)相變的特性，指出水蒸氣凝結(jié)相變過程釋放出大量凝結(jié)潛熱，使壓力驟增，形成凝結(jié)激波，對超音速噴管里面的流動產(chǎn)生了阻塞作用。

1 數(shù)學(xué)模型

氣相流動控制方程組：

液相流動控制方程組：

2 物理實驗研究進展

代欽[4]等介紹了采用數(shù)字式互相關(guān)粒子圖像測速系統(tǒng)（DPIV）在測量超音速噴流實驗中的應(yīng)用。實驗數(shù)據(jù)給出馬赫數(shù)=1.5的小型拉瓦爾噴管在不同總壓和反壓比條件下速度場、流線、渦量分布情況。最后得出在激波前后流體形成渦的分布產(chǎn)生明顯的變化。

王超[5]等利用凝結(jié)實驗，研究了音速噴嘴內(nèi)濕空氣凝結(jié)現(xiàn)象，實驗數(shù)據(jù)表明在不同條件的噴嘴沿程壓力，并建立了凝結(jié)流動 Eulerian 兩相模型，利用數(shù)值模擬方法探究了對凝結(jié)過程可能的影響，使實驗與數(shù)值模擬相互驗證。

范新冬[14]等提出“空間轉(zhuǎn)化為時間”思想，將噴管中流體參數(shù)隨噴管出口方向轉(zhuǎn)換為膨脹過程中確定位置流體參數(shù)隨時間的變化，控制最小截面積來調(diào)節(jié)不同的時間尺度，采用片光技術(shù)實現(xiàn)凝結(jié)現(xiàn)象的觀測，同時根據(jù)水蒸氣和甲烷吸收光譜獲得凝結(jié)過程中的溫度變化以及水蒸氣含量變化。 “空間轉(zhuǎn)化為時間”的試驗方案可以在一定程度上模擬噴管中水蒸氣的凝結(jié)過程。

曹學(xué)文[6]等實驗采用消光法液滴在線測量儀，氣體在噴管內(nèi)高速膨脹產(chǎn)生的低溫效應(yīng)可實現(xiàn)混合氣體的分離。Laval 噴管內(nèi)氣體凝結(jié)流動過程，氣體在噴管喉部處發(fā)生溫度降低產(chǎn)生凝結(jié)，液滴數(shù)目增長。不同的結(jié)構(gòu)凝結(jié)效果也不一樣。

邊江[7]等為揭示入口溫度對天然氣混合物超聲速凝結(jié)液化過程的影響，建立了雙組分天然氣混合物超聲速凝結(jié)流動數(shù)學(xué)模型。結(jié)果表明，保持Laval噴管入口壓力及氣體成分不變，降低入口溫度，凝結(jié)位置會靠前，同時會使更多氣體發(fā)生凝結(jié)現(xiàn)象。

王成鵬[17]等基于紋影和剪切敏感液晶摩阻顯示技術(shù)得到形成激波串的第一道激波的三維特征?？刂茋姽苓M出口壓降比，對固定馬赫數(shù)情況下研究了激波從噴管喉部到出口的結(jié)構(gòu)特性。

翟小飛[8]等為了開展飛行馬赫數(shù)8、9的超燃沖壓發(fā)動機直連式試驗研究，將中國空氣動力研究與發(fā)展中心的FD-14激波風(fēng)洞改造成了激波加熱超聲速燃燒室直連式試驗臺。采用Park、Gupta、Dunn/Kang 3種不同的純空氣化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)模型，對2種馬赫數(shù)噴管中的化學(xué)非平衡流動進行了數(shù)值模擬研究，并對這不同3種純空氣化學(xué)反應(yīng)模型進行了分析。

3 數(shù)值模擬現(xiàn)狀

楊勇［9］等利用數(shù)值模擬對水蒸氣在噴管中流動進行了探究，研究了水蒸氣超音速流動過程中的非平衡相變及凝結(jié)激波現(xiàn)象，揭示了壓縮激波在流動之間相互作用的非平衡流動規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了激波產(chǎn)生的耗散效應(yīng)對非平衡相變的影響，探討了激波發(fā)生時，波陣面處核化凝結(jié)、液滴生長的變化規(guī)律。

圖1 凝結(jié)流動模型

廖國進［10］等基于水蒸氣非平衡凝結(jié)動力學(xué)模型和真實水蒸氣模型，建立了水蒸氣跨聲速非平衡凝結(jié)流動數(shù)值模型，對噴管內(nèi)水蒸氣非平衡凝結(jié)流動進行了數(shù)值模擬，模型成功地捕捉到了凝結(jié)激波，通過實驗驗證了數(shù)值模擬的可靠性。非平衡凝結(jié)現(xiàn)象產(chǎn)生激波對流場形成復(fù)雜流動。

華楓［11］等引入水蒸氣真實氣體物性，考慮相變、速度滑移等影響因素，進行了數(shù)值模擬研究，清晰地捕捉到了“X型”凝結(jié)激波，并對其形態(tài)形成原因進行了分析，發(fā)現(xiàn)在喉部下游0.1 m 處，液滴數(shù)由 0 突躍至 1014數(shù)量級，表明水蒸氣發(fā)生非平衡凝結(jié)，極短時間內(nèi)產(chǎn)生了大量凝結(jié)核，液滴半徑和濕度也在短時間內(nèi)迅速增加。

馬平平［12］等引入水蒸氣真實氣體物性。通過Moore 實驗數(shù)據(jù)與軟件模擬對比，討論不同模型的數(shù)據(jù)計算結(jié)果。捕捉到了凝結(jié)激波現(xiàn)象，分析了流場參數(shù)隨著凝結(jié)激波產(chǎn)生的影響。

曹學(xué)文［13］等基于歐拉-歐拉雙流體模型，建立氣相及液相流動控制方程組，對噴管內(nèi)CO2氣體的凝結(jié)特性進行了數(shù)值模擬研究，指出CO2氣體凝結(jié)潛熱相對于水蒸氣比較小，形成激波也不明顯。

龍學(xué)淵［15］對氣體在高速膨脹后自發(fā)形成凝結(jié)機理研究的基礎(chǔ)上，建立了描述氣體旋轉(zhuǎn)超音速凝結(jié)流動的雙流體數(shù)學(xué)模型，將結(jié)構(gòu)設(shè)計分析與內(nèi)部流動機理研究相結(jié)合，進行了三維全流場模擬，對影響超音速噴管性能的核心指標(biāo)進行了室內(nèi)實驗測試，采用實驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，分析了所設(shè)計裝置關(guān)鍵工藝參數(shù)的最佳運行范圍，得到了一套完整的 LNG 超音速旋流分離器設(shè)計方案。

HRIC［21］等主要研究了非平衡凝結(jié)模型，在高壓下到低壓的過程膨脹。蒸汽的特性是通過基于樣條的查表方法（SBTL）來逼近水和蒸汽的IAPWS-95/97熱力學(xué)方程集來實現(xiàn)的。

曹學(xué)文［16］對空氣＋水＋乙醇三組分（雙可凝）氣體超聲速流動條件下凝結(jié)特性進行了數(shù)值計算，研究了三組分氣體超聲速凝結(jié)特性影響因素，通過與空氣＋水雙組分（單可凝）氣體對比，分析了第二種可凝組分對凝結(jié)成核的影響，指出隨著三組分氣體中乙醇含量的升高，Laval噴管內(nèi)成核率增大，成核區(qū)域變窄，液滴形成的位置提前。

傅健［22］等引入真實氣體狀態(tài)方程和湍流流動的方程，研究了CO2-CH4混合氣體在噴管中凝結(jié)流動過程的變化。

SUN［20］等對氣體在跨音速或超聲速流動中的自發(fā)凝結(jié)現(xiàn)象，修改了液滴形成模型。利用Gyarmathy模型和Young模型對氮氣凝結(jié)流進行了模擬。通過對兩相流場的傳熱傳質(zhì)分析，討論了液滴對流場的作用結(jié)果。

鄧清華［18］等針對不同進氣參數(shù)條件下水蒸氣從過熱區(qū)膨脹進入濕蒸汽區(qū)的自發(fā)凝結(jié)規(guī)律問題，數(shù)值模擬深入分析了進氣參數(shù)對水蒸氣非平衡凝結(jié)過程的過冷度、液滴數(shù)、濕度、壓比以及馬赫數(shù)的影響，詳細比較了其平衡凝結(jié)和非平衡凝結(jié)特性的差異。通過比較水蒸氣的平衡凝結(jié)和非平衡凝結(jié)特性，發(fā)現(xiàn)噴管進氣壓力較低時，水蒸氣非平衡凝結(jié)與平衡凝結(jié)計算結(jié)果的差異顯著，Wilson 點在平衡態(tài)中濕度達到 8.40%；而當(dāng)進氣壓力接近臨界壓力時，平衡凝結(jié)的計算結(jié)果基本接近非平衡凝結(jié)的結(jié)果，Wilson 點在平衡態(tài)中的濕度僅為 1.98%。

EDATHOL［19］等采用已建立的歐拉-歐拉方法可以對蒸汽非平衡凝結(jié)的超聲速流動進行數(shù)值模擬?；诿芏鹊那蠼馄鳎薷目刂品匠痰脑错梺砜紤]相變的影響?；趬毫Φ那蠼馄魃辖W拉-歐拉混合模型，用于預(yù)測非平衡流動。采用IAPWS-IF97補充狀態(tài)方程描述了蒸汽的狀態(tài)，并利用附加經(jīng)驗關(guān)系式估算了凝聚相的性質(zhì)。采用Gyarmathy方程計算液滴增長速度。

4 結(jié)束語

1）研究氣體凝結(jié)成核和液滴生長的理論模型，目前國內(nèi)外普遍應(yīng)用的理論模型均與實驗測試結(jié)果存在較大的誤差，氣體凝結(jié)釋放的潛熱對連續(xù)相氣體產(chǎn)生的熱效應(yīng)影響機理研究還不夠深入。

2）多組分凝結(jié)湍流模型沒有考慮氣液兩相之間的速度滑移邊界條件以及液體相對于氣相流場的影響。歐拉雙流體冷凝模型考慮了速度滑移與氣液耦合之間的相互作用。

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Research Progress of Nozzle Non-equilibrium Condensation

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（Lanzhou University of Technology, Lanzhou Gansu 730050, China）

The temperature change effect will occur during the gas throttling process, and the condensation and liquefaction of the nozzle is widely used in the field of refrigeration. In terms of throttling process, the steam parameters change drastically at various points in the flow space, which is a typical process of non-steady state, non-equilibrium state, and entropy increase. Affected by the flow space and steam state parameters, various ordered dissipative structures such as temperature change, shock waves, thermoacoustics, and vortex orders appear in the throttle. These special structures are related to the fatigue failure of metal materials. When the gas flows rapidly through the nozzle, there is a process of non-equilibrium condensation and condensation shock waves: due to the rapid expansion, the thermodynamic non-equilibrium accumulates to the limit and condensation occurs suddenly, releasing a large amount of condensation latent heat while generating a large number of condensation nodules. Part of the latent heat of condensation is released into the surrounding flow field, which heats the water vapor in the supersonic flow state, so that the supersonic flow state develops toward the sonic flow state, and thermal congestion occurs in the flow field, resulting in the generation of condensation shock waves.

Nozzle; Condensation; Non-equilibrium state;Shock wave

甘肅省自然科學(xué)基金（項目編號：1610RJZA029）。

2020-07-14

余建平（1970-），男，甘肅省白銀市人，副教授，博士，研究方向：流體與傳熱數(shù)值。

劉雨（1991-），男，碩士，研究方向：流體與傳熱數(shù)值。

TK14

A

1004-0935（2020）11-1395-04