高速蒸汽非平衡凝结流动的研究进展

　　针对高速蒸汽非平衡凝结流动的研究进展及现状，从实验研究、理论研究和数值模拟等方面给予了介绍。对实验研究进展以及凝结理论中成核理论和液滴生长理论的研究进展、应用情况做了概述;着重介绍了数值模拟研究的进展及现状，尤其对较为成熟的单流体数值模型和严谨完善的双流体模型的特点、应用情况及数值模拟结果做了详细的阐述，以期对高速蒸汽非平衡凝结流动方面的研究及成果的推广应用起到促进作用。

　　水蒸汽从气相到液相的转变过程称为水蒸汽凝结过程。若蒸汽处于过饱和状态时才开始凝结则称为非平衡凝结。在动力、化工、核能、冶金等领域中蒸汽非平衡凝结是普遍存在的现象，像汽轮机、喷嘴、超音速风洞、蒸汽喷射泵等流场中，蒸汽往往处于跨音速或超音速流动状态，再加上蒸汽强烈的可压缩性，极易导致非平衡凝结现象发生。凝结发生后，水蒸汽几乎吸收了全部的凝结潜热，导致流场性质的剧烈变化，可能产生凝结激波等现象。由此可见，水蒸汽非平衡凝结流动过程是一个伴随着非平衡凝结、凝结激波等现象的复杂过程，其不仅带来对设备腐蚀的危害，还引起动力损失。何况，水蒸汽的非平衡凝结问题属于相变问题，而相变的数学理论被列为21世纪的100 个科学难题之一，可见，对高速流动中蒸汽非平衡凝结流动的研究不仅具有巨大的工程实际意义，还具有很高的学术价值。经过几十年各国专家学者的不懈努力，对水蒸汽非平衡凝结流动研究无论在实验研究、理论研究，还是在数值模拟方面都取得了巨大的成就。

1、实验研究

　　早在1897 年，Wilson 就将膨胀云室方法引入到成核、凝结问题的研究中，经过Allard 和Kassner改进，实现了对凝结液滴计数，得出了与过饱和度有关的成核率。而Langsdorf于1939 发明了扩散云室法，由于该方法实现了对成核过程的控制以及对整个实验过程的测量和观察，在研究成核或凝结现象方面受到广泛应用。此外，借助喷管和激波管进行研究也是比较广泛的。

　　自1936 年Prandtl给出喷管流场中的斜“X-Shock”并将其产生原因解释为水蒸汽凝结对流场的影响后， 凝结成核问题的研究得到了迅速发展。Wegener 和Wu利用喷管使气-汽混合气体快速定常绝热膨胀获得了较高冷却率，就在同年，Conrad首先利用喷管对气体进行加速膨胀产生凝结，并测量了凝结液滴的尺寸。此外，Oswatitsch、Wegener、Frank 等也利用喷管对凝结现象进行了卓有成效的研究。

　　1951 年，Wegener 和Lundquist 利用膨胀式激波管技术，使水蒸汽达到很高的过饱和状态，对水蒸汽凝结现象进行了研究。之后，Peters[16]对该方法进行了改进，提高了成核率和液滴生长速率的测量精度。另外，Peters利用其改造后的激波管，得出过饱和状态下氢气- 水汽混合气体中蒸汽的成核率范围为107 cm-3s-1~109 cm-3s-1，并且指出过饱和度并不像经典成核理论描述的那样随着温度的降低急剧增加。此外，他们还发现水滴尺度在增长过程中呈现单一分布。1993 年，Looijmans 等基于Peters 的工作，对激波管做了改进，实现了脉冲成核过程，使同质成核率的测量精度大大提高。Glass 等使用纹影照片技术展示了稀疏波膨胀扇内的凝结过程。Barrand 等对激波管驱动段中稀疏波对水汽- 氨气和水汽-氮气混合气体的作用和凝结开始的时间做了实验研究。1995 年，Fu 等利用常规激波管实验技术在研究了水汽瞬态相变过程中发现瞬态凝结温度存在滞后效应。

　　伴随着蒸汽自发凝结流动的实验研究还存在很多问题亟待解决，目前，蒸汽凝结流动的测量还很困难，系统的实验研究成本很大，这也使得实验研究进展缓慢，尤其在国内对伴随蒸汽非平衡凝结流动的实验研究还很少。但是，已有的实验研究加深了人们对高速流动中蒸汽非平衡凝结现象的认识，正是在此基础上，凝结理论才能从形成走向不断完善;实验研究成果也为伴随着蒸汽非平衡凝结流动的数值模拟研究提供了宝贵的验证数据，有力的支持了数值模拟研究的开展。

结语

　　本文就高速蒸汽非平衡凝结流动的研究进展及现状，从实验、理论和数值模拟等方面做了综述。实验研究是蒸汽非平衡凝结流动数据资料的最可靠来源，虽然实验研究还存在测量困难、成本昂贵等问题，但是通过实验研究，加深了人们对蒸汽非平衡凝结流动现象的认识，并且积累了宝贵的实验数据，有力地支持了理论和数值模拟研究;从凝结理论的研究进展和应用情况来看，理论研究进展缓慢，现在普遍使用的成核模型和液滴生长模型大多是几十年前的成果，其中Kantrowitz 的非等温修正成核模型和Young 的液滴生长模型较为完善，应用最为广泛;在数值模拟研究方面，目前建立的数值模型主要有颗粒轨迹模型、单流体模型和双流体模型。从模拟结果来看，颗粒轨迹模型面临着高维计算、收敛速度和计算量等的限制，单流体模型面对汽液两相间的作用情况、汽液相间作用对流场影响、液相流动特性和参数分布等问题却无能为力，而双流体模型克服了上述模型的不足，不仅能对蒸汽非平衡凝结流动进行准确地描述，还能得出液相的流动特性和重要参数分布，从而能更好地揭示凝结对流场的影响和汽、液相间作用。近年来，随着人们对蒸汽非平衡凝结流动本质认识的不断深入，以及计算流体力学等相关学科的飞速发展，通过建立合理、准确、可靠的数值模型，从数值模拟角度对蒸汽非平衡凝结流动进行研究必将成为一种趋势。