水蒸气相变与可压缩流动相互作用的实验与数值研究

流场中水的相变问题存在于许多环境、工程技术应用如航空、汽轮机及地面风洞等中。高速膨胀流动会引起凝结的产生，而凝结放出的潜热又会影响流场，两者的相互耦合导致极为复杂的流动现象。本申请拟用数值与实验两种方法来研究水的相变与可压缩流动相互作用的复杂机理。数值方法上，首先，从热力学出发，综合已有的文献数据，并结合适当的实验测量，评估非平衡相变中液滴成核与生长模型；其次是在数值方法里实现物理模型，并利用实验数据来发展和验证高精度的数值方法。实验研究上，通过搭建多通道压力测量系统、高速纹影系统和多波长消光法测量系统来获得典型高速膨胀湿空气流场的压力、密度以及液滴等流场参数的时空分布特性。结合数值方法，系统研究超声速喷管流动中相变引起的振荡机理和Prandtl-Meyer膨胀波中相变导致的流场参数空间分布特性，从而为实际工业应用奠定基础。

流场中水的相变问题存在于许多环境、工程技术应用如航空、汽轮机及地面风洞等中。高速膨胀流动会引起凝结的产生，而凝结放出的潜热又会影响流场，两者的相互耦合导致极为复杂的流动现象。本项目从理论、实验和数值计算三个方面，研究了相变模型以及相变在可压缩流动相互作用的复杂机理。理论研究包括：1、提出了一种新的异质成核模型；2、提出了一种评估高超声速风洞中水蒸气凝结对流场参数影响的理论方法；3、进行了可压缩流动中质量交换引起的波系研究；4发展了考虑相间作用的同质相变矩方法；5、发展了考虑异质相变的矩方法。实验研究包括：1、进行了Prandtl-Meyer膨胀波中凝结的实验研究；2、开展高超声速流动下TDLAS测量水蒸气凝结的实验研究。数值研究包括：1、Prandtl-Meyer膨胀波中凝结的数值研究及GPU加速下的大尺度Prandtl-Meyer膨胀波中凝结的计算；2、常规高超声速风洞氮气凝结的影响的数值研究；3、水蒸气相变对超音速喷管性能影响的数值研究；4、水蒸气相变对高超音速飞行器性能影响的数值研究；5、发展了带速度滑移的同质相变矩方法的数值实现；6、异质相变矩方法的数值实现。这些研究对深入认识其复杂作用机理具有重要的意义，同时也可以为工程应用奠定基础。