【摘要】：伴隨水蒸氣凝結(jié)的可壓縮流動,在生產(chǎn)和生活中都有重要應(yīng)用。水蒸氣凝結(jié)放出潛熱,影響了流場結(jié)構(gòu),流場結(jié)構(gòu)的改變又會反過來影響凝結(jié)的發(fā)生。凝結(jié)與流動耦合在一起,使流動問題變得更加復(fù)雜。對水蒸氣凝結(jié)的研究由來已久。隨著計算機(jī)的應(yīng)用,數(shù)值研究為之前很難進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)研究的問題提供了新的思路。在各種有關(guān)伴隨凝結(jié)流動的數(shù)值方法中,矩方法是一種兼顧了計算效率和液滴分布信息的方法。與近年來的求積矩方法和直接求積矩方法相比,經(jīng)典的Hill矩方法各項(xiàng)物理意義明確,結(jié)構(gòu)簡單,更容易與數(shù)值程序相結(jié)合,并且大量的實(shí)踐也表明了其準(zhǔn)確性。本文工作主要應(yīng)用經(jīng)典矩方法,對伴隨水蒸氣凝結(jié)的可壓縮流動進(jìn)行了研究。具體工作如下:首先,應(yīng)用經(jīng)典凝結(jié)矩方法,研究了伴隨同質(zhì)凝結(jié)的Prandtl-Meyer(PM)膨脹流動問題。討論了兩種情況:有界區(qū)域和半無界區(qū)域。對于有界區(qū)域內(nèi)的PM膨脹流動,計算發(fā)現(xiàn)隨著來流水蒸氣飽和度的提高,凝結(jié)激波由定常狀態(tài)向非定常狀態(tài)轉(zhuǎn)變,出現(xiàn)自激振蕩現(xiàn)象。對于半無界區(qū)域內(nèi)的PM膨脹流動,計算發(fā)現(xiàn)凝結(jié)激波呈現(xiàn)獨(dú)特的周期性二維空間結(jié)構(gòu)。具體來說,在水蒸氣飽和度較低時,有界區(qū)域內(nèi)的PM膨脹流動中會出現(xiàn)穩(wěn)定的向來流方向彎曲的凝結(jié)激波。凝結(jié)激波不與轉(zhuǎn)角的拐點(diǎn)相連。為此,我們用圓角代替尖點(diǎn),分析了拐點(diǎn)處的非平衡流動對整個流場的影響。發(fā)現(xiàn)如果不對拐點(diǎn)處的流動做細(xì)致討論,其影響可以忽略。提高初始來流水蒸氣飽和度,凝結(jié)激波發(fā)生自激振蕩。討論了引起振蕩的原因,分析了凝結(jié)激波的振蕩過程和影響振蕩頻率的因素。對于半無界區(qū)域內(nèi)的PM膨脹流動,分析表明,凝結(jié)激波的二維周期性空間結(jié)構(gòu)與凝結(jié)的自我抑制特性和流動的相互作用有關(guān)。而后,我們將經(jīng)典凝結(jié)矩方法推廣到異質(zhì)凝結(jié)領(lǐng)域。通過引入"瞬間活化"假設(shè),簡化了異質(zhì)成核模型。"瞬間活化"假設(shè)忽略了粒子表面形成液膜的過程,認(rèn)為達(dá)到臨界半徑的粒子表面瞬間形成液膜,并開始液滴增長。這一假設(shè)適用百納米以下不與水作用的惰性粒子。將此異質(zhì)成核模型與矩方程結(jié)合,發(fā)展出異質(zhì)凝結(jié)矩方法。運(yùn)用新方法,對Smolders的異質(zhì)凝結(jié)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬,計算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果和其他數(shù)值方法結(jié)果吻合較好,驗(yàn)證了異質(zhì)凝結(jié)矩方法的準(zhǔn)確性。之后,將此方法應(yīng)用到伴隨異質(zhì)凝結(jié)的激波管問題中,進(jìn)行了參數(shù)研究,加深了對異質(zhì)凝結(jié)和流動相互作用的認(rèn)識。最后,針對經(jīng)典矩方法無法處理相間相互作用的問題,將經(jīng)典矩方法中的矩方程改寫為基于液相平均速度的形式,并將氣相、液相分開處理,發(fā)展了一套考慮相間質(zhì)量、動量、能量交換的矩方法。應(yīng)用此方法研究了伴隨同質(zhì)凝結(jié)的旋渦運(yùn)動問題,包括了蘭金復(fù)合渦和斜劈誘導(dǎo)的啟動渦。分析了旋渦中凝結(jié)的產(chǎn)生過程,以及凝結(jié)與流動相互作用對液相分布的影響。計算結(jié)果顯示了凝結(jié)生成的液滴在離心力作用下離開旋渦中心的現(xiàn)象,這是新方法與經(jīng)典凝結(jié)矩方法相比進(jìn)步的地方。但與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比,仍有一定差距,需要進(jìn)一步改進(jìn)。綜上所述,本文的研究工作一方面加深了我們對伴隨凝結(jié)的可壓縮流動的認(rèn)識,另一方面對經(jīng)典凝結(jié)矩方法進(jìn)行了拓展,使之可以處理異質(zhì)凝結(jié)問題和相間存在強(qiáng)烈相互作用的凝結(jié)問題。為進(jìn)一步的研究奠定了基礎(chǔ)。
【圖文】：

水蒸氣的凝結(jié)過程也可＾＾被加＾＾利用。有學(xué)者就提出，應(yīng)用水蒸氣在細(xì)顆逡逑粒物上的凝結(jié)，使微粒增長變大，便于細(xì)顆粒物的清除【７－９］。工業(yè)上，還有一種逡逑借助旋禍與液滴相互作用，清除天然氣中水蒸氣的方法。圖１．１展示了一種名為逡逑＂Ｔｗｉｓｔｅｒ＂［ｉ0］的天然氣干燥裝置。如圖所示，首先調(diào)整天然氣的狀態(tài)，使其中逡逑的水蒸氣達(dá)到飽和。含有飽和水蒸氣的天然氣進(jìn)入一個旋滿發(fā)生器。而后，旋逡逑轉(zhuǎn)的混合氣體經(jīng)過Ｌａｖａｌ噴管膨脹，溫度降低，水蒸氣凝結(jié)成液滴。在離也力逡逑的作用下，液滴向管壁側(cè)聚集，并通過下游管壁上的開口排出。管道中屯、附近逡逑干燥的天然氣，則被收集起來。這種方法相比于其他干燥方法，，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，逡逑干燥效率高，可Ｗ連續(xù)生產(chǎn)。由此可見，水蒸氣的凝結(jié)現(xiàn)象，不僅在生活中廣逡逑泛存在，對于科學(xué)實(shí)驗(yàn)和工業(yè)生產(chǎn)都有重要意義。逡逑１．２伴隨凝結(jié)的流動研究逡逑隨著蒸汽輪機(jī)的發(fā)明和廣泛應(yīng)用

平衡態(tài)分布。逡逑對于一般系統(tǒng)，其狀態(tài)并不處于平衡態(tài)，我們用／。來表示當(dāng)前狀態(tài)下含有逡逑ｎ個水分子液滴的數(shù)密度。如圖２．１所示，我們假設(shè)液滴的長大和縮小都是通過逡逑水分子依次進(jìn)入和離開液滴來實(shí)現(xiàn)的，且同一時間只有一個水分子進(jìn)入或離開。逡逑８逡逑
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：O35

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2517431