汽液喷射器中的激波效应及两相界面的非稳态特征

It is very popular that supersonic steam jets into subcooled water in energy application, chemical engineering, water supply, nuclear energy and other industries,because of its strong ability of heat transfer. The flow and mass transfer inside steam injector is complicated due to the coupling of supersonic flow, shock wave effect and suction flows. The mechanism of shock wave effect and liquid-vapor interfacial unsteady characteristics will be investigated by caculation and experimentation. It is focused on non-equilibrium phase change and shock wave effect, through experimental visualization of two-phase interface in steam injector. Therefore, the interesting scientific phenomena of nonequilibrium phase change, condensation shock, plume length and interfacial characteristics, accompanied by complicated transition of energy, mass and momentum, will be further studied to reveal the physical nature of the mixing phenomenon.

工程技术中广泛存在着超音速蒸汽与过冷水的喷射混合现象，因其很强的热交换能力而被广泛地用于能源电力、锅炉给排水、石油化工、核工业等领域。汽液喷射器内部的流动过程因超音速流动、激波效应和卷吸流动等流动现象的耦合而异常复杂，本项目拟采用计算流体动力学数值研究与可视化在线实验观测相对照的方法对汽液喷射器内非平衡相变诱发的激波效应及汽液两相界面的非稳态特性进行科学研究。以非平衡相变与激波的耦合效应为切入点，以对汽液喷射器内汽液界面的可视化实验观测为主要手段，以对两相流场中激波效应及汽液相界面的数值捕获为数值验证，对汽液喷射器内的非平衡相变、凝结激波、汽羽的形态及边界特征、以及汽液相界面之间热/质的非稳态交换等特殊流动现象进行科学解释和理论描述。

工程技术中广泛存在着超音速蒸汽与过冷水的喷射混合现象，因其强热交换能力而被用于能源电力、锅炉给排水、石油化工、核工业等领域。汽液喷射器内部的流动过程因超音速流动、激波效应和卷吸流动等流动现象的耦合而异常复杂，本项目采用计算流体动力学数值研究与实验数据相对照的方法对汽液喷射器内非平衡相变诱发的激波效应及汽液两相界面的非稳态特性进行科学研究。分析在不同工作参数下，汽液喷射器内部的工况变化和激波发生规律、以及能量损耗的影响规律。.经过三年的努力，项目完成了预期的研究内容和研究目标，取得了一定的成果，获取了以非平衡相变与激波的耦合效应为切入点，对两相流场中激波效应及汽液相界面的数值捕获，揭示了汽液喷射器内的非平衡相变、凝结激波、汽羽的形态及边界特征、以及汽液相界面之间热/质的非稳态交换等特殊流动现象，为掌握汽液喷射器运行机理提供了重要的理论和数据支持。本项目研究内容完全按照研究计划进行，得到如下结论：.（1）由于喷射器的轴对称特性，考虑模拟计算成本，二维轴对称k-e RNG湍流模型的模拟结果与实验数据吻合度很高，且更符合汽液喷射器内部工况。.（2）在项目研究过程中，汽液喷射器的研究内容有了较多的报道，为了避免重复研究，本项目将研究重心放在温度、压力、流场、汽液相界面之间热/质的非稳态交换等特殊流动现象。.（3）超音速工作喷嘴出口位置，呈现阶跃状分布的菱形激波，温度波动显著，扩压室内呈现明显的压缩激波特征。喷射器扩压室内的壅塞现象与背压呈现出明显的相关性，随着背压的升高，压缩激波沿扩散室上行，当到达一定的背压值时，扩压室的压缩激波进入到混合室内，扩压室内不再有壅塞。