摘要：针对氮气在收缩型喷管中自发凝结的两相流动，采用经典成核理论来计算气液两相间的质量传递，选用Standard Redlich Kwong气体状态方程，忽略了气液相之间的速度滑移，利用商业软件CFX中的非平衡凝结模型进行了二维数值模拟。通过对成核率的量级、压力和带液量变化趋势及开始凝结的位置等模拟结果的分析，验证了模型和数值计算的有效性。进一步的数值模拟结果表明：相比于无凝结的绝热膨胀过程，相变释放潜热及气液之间的导热会加热气体，使得气流压力升高、马赫数降低。平衡凝结模型及非平衡凝结模型的对比显示，非平衡数值模型能够更好地揭示低温下氮气自发凝结的两相膨胀过程。
关键词：自发凝结；非平衡；喷管；成核
中图分类号：TB653 文献标志码：A 文章编号：0253-987X（2015）04-0130-04
自发凝结两相流动的研究是低温两相膨胀的基础问题，也是低温两相透平膨胀机设计的关键和难点。在氮气三相点（63.15 K）以上的低温区，空气或者氮气膨胀可能会发生凝结相变，其热力学不可逆损失会严重影响其流动特性，并在很大程度上影响理论分析和实验结果的准确性。自从文献[1-2]提出经典成核理论以来，关于气液成核的实验与数值研究主要集中于水物质，对于空气及氮气低温下的成核问题，由于关键物性的不确定性以及分子间势能理论的缺乏，使得其实验与模拟都非常困难。以氮气为例，文献[3]在超音速风洞中研究了氮气成核，文献[4]通过测量静压及光散射在超高音速喷管中检测到氮气成核的发生，之后许多学者相继利用超音速喷管、激波管或者成核脉冲室对氮气进行了Wilson点的测量以及成核率的计算。但是，上述研究都针对氮气三相点以下的温区，氮气凝结有可能会产生固态粒子。对于三相点以上的温区，氮气凝结的研究工作比较少，文献[10]利用NASA Langley 0.3 m低温风洞进行了氮气凝结实验与理论分析，但流动发生在CAST-10机翼外部。文献[11]对氮气在喷管内部流动中的凝结采用两种成核理论进行了数值模拟，但模型只与机翼外部流动的实验进行了对比。
本文采用商业软件CFX中的非平衡凝结模型，模拟了在低温下缩放喷管中氮气自发凝结的两相膨胀过程，首先分析了模拟结果，并与文献[11]的数值计算结果进行了对比验证，然后分析了自发凝结对于流动特性的影响，最后完成了与平衡凝结模型的对比与分析。