水蒸氣在超聲速流動過程中會發生非平衡相變，尤其發生在超聲速流動中的凝結激波引發了學者的研究興趣。研究表明，水蒸氣從亞聲速到超聲速的膨脹過程中，水蒸氣越過飽和線時由於自由能障的束縛並不立即凝結，而是繼續膨脹，使得蒸汽的溫度不斷降低，蒸汽偏離飽和平衡態。當這種不平衡態發展一定限度時，會產生大量微小的凝結核心，蒸汽發生急劇凝結，並伴隨著的凝結激波的發生。
1935年，Prandtl首歡對超聲速噴管中的凝結激波形成的機理進行了解釋。此後大量的研究工作圍繞這一現象展開。
基本介紹
- 中文名：凝結激波
- 外文名：condensation shock wave
- 學科：航空航天
- 類型：飛行術語
- 產生環境：超聲速流動
- 首次解釋者：Prandtl
背景,研究歷史,凝結激波的分區特性,
背景
凝結是自然界中很常見的現象，但是當水蒸氣或者混有水蒸氣的混合氣體經過快速膨脹之後，就會使氣體處於過飽和狀態。當這種膨脹的速度足夠快的時候，水蒸氣中就會直接凝結產生液滴，這就是同質核化凝結現象。由於這種凝結髮生的速度很快，由凝結釋放的能量有時會對流場產生定常或非定常的重要影響。例如在渦輪機械中凝結產生的液滴可能會損傷葉片;在超聲速噴管的喉道部分產生的凝結激波可能會影響下游的流場性質，火箭發動機產物中的凝結可能會影響推進性能或增加燃燒的不穩定。
研究歷史
1935年，Prandtl首歡對超聲速噴管中的凝結激波形成的機理進行了解釋。此後大量的研究工作圍繞這一現象展開。例如P.G. Hill等人(1965)利用實驗和數值相結合的方法研究了水蒸氣凝結對超聲速噴管壓力分布的影響進行了分析，D. Barschdorff等人依據經典成核理論分析了凝結激波的位置，S. Adam等人在實驗中發現了凝結激波的不對稱震盪結構，J. B. Yang等人對凝結理論也進行了研究，羅喜勝和van Dongen等人開展了實驗和數位模擬的研究。
Zierep和Lire (1967)在一維流動的理論下建立的了駐點飽和度和凝結髮生位置馬赫數城之間的關係。G.Schnerr使用這項理論分析T他自己和Bartlma、Barschdorff、Wegner和Pouring的實驗結果，發現，只有在噴管喉道部分較狹長的時候，即喉道部分噴管壁面曲率半徑遠大於喉道半高時，通過調整參數可以使這項理論與實驗結果符合的較好。G. Schnerr二對凝結激波的二維結構進行了定性分析，把這一誤差歸結於流場二維效應的影響，但遺憾的是他沒有提出有效的解決辦法。
凝結激波的分區特性
水蒸氣在超聲速流動過程中會發生非平衡相變，尤其發生在超聲速流動中的凝結激波引發了學者的研究興趣。研究表明，水蒸氣從亞聲速到超聲速的膨脹過程中，水蒸氣越過飽和線時由於自由能障的束縛並不立即凝結，而是繼續膨脹，使得蒸汽的溫度不斷降低，蒸汽偏離飽和平衡態。當這種不平衡態發展一定限度時，會產生大量微小的凝結核心，蒸汽發生急劇凝結，並伴隨著的凝結激波的發生。
如圖給出了凝結激波發生處液相質量增長率的分布，凝結激波發生區域呈明顯邊界效應，即邊界區域因膨脹迅速率先達到極限過冷而爆發核化凝結，成核率最大;凝結激波的熱擾動不斷向下游及噴管中心區域擴散，凝結成核率在噴管中心及激波下游降低，使得凝結激波起始發生區內液相質量增長最快，噴管中心及激波下游呈減小趨勢。
噴管中液相質量增長率分布示意圖
噴管中液相質量增長率分布示意圖大連理工大學楊勇等以液相質量增長率為基準，將凝結激波發生區域分為三個區域:凝結激波起始發生區、凝結激波交匯區和凝結激波消退區。
凝結激波起始發生區主要是指噴管邊界附近凝結激波的起始發生區域，該區域內蒸汽膨脹最為迅速，溫度下降最快，過冷度和過飽和度最高，最先達到當地蒸汽凝結的Wilson點，成核率也相應最高，是凝結激波發生的起始區域，激波強度最高，液相質量增長率中蒸汽凝結成核產生的質量增長占主要比重，質量生長率最高。
凝結激波交匯區是指從噴管邊界區域起始生成的凝結激波產生的熱擾動向噴管中心交匯的區域，由於凝結激波的匯聚和反射使得該區域內的流動較為複雜，凝結激波產生的熱擾動使得溫度有所升高，核化凝結受到延遲，成核率有所降低，液相質量增長率較激波起始發生區降低，但仍然處於較高範圍。
凝結激波消退區是指凝結激波逐漸減弱並消退的區域。蒸汽在凝結激波的作用下溫度迅速升高后，過冷度迅速降低，不再產生新的凝結核心，但處於低度過冷的亞穩定狀態，蒸汽分子在化學勢的作用下不斷碰撞豁附到已經形成的凝結核心上，液滴粒徑不斷增大，液相質量增長率有所降低，凝結激波逐漸消退。由圖可知，凝結激波呈現X形，在凝結激波交匯區匯聚並向下游發展，使得交匯區後的溫度比邊界區域高，過冷度降低得更快，凝結激波消退得更快，因此該區呈現馬鞍形。
