針對(duì)高速蒸汽非平衡凝結(jié)流動(dòng)的研究進(jìn)展及現(xiàn)狀，從實(shí)驗(yàn)研究、理論研究和數(shù)值模擬等方面給予了介紹。對(duì)實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展以及凝結(jié)理論中成核理論和液滴生長(zhǎng)理論的研究進(jìn)展、應(yīng)用情況做了概述;著重介紹了數(shù)值模擬研究的進(jìn)展及現(xiàn)狀，尤其對(duì)較為成熟的單流體數(shù)值模型和嚴(yán)謹(jǐn)完善的雙流體模型的特點(diǎn)、應(yīng)用情況及數(shù)值模擬結(jié)果做了詳細(xì)的闡述，以期對(duì)高速蒸汽非平衡凝結(jié)流動(dòng)方面的研究及成果的推廣應(yīng)用起到促進(jìn)作用。

　　水蒸汽從氣相到液相的轉(zhuǎn)變過(guò)程稱為水蒸汽凝結(jié)過(guò)程。若蒸汽處于過(guò)飽和狀態(tài)時(shí)才開始凝結(jié)則稱為非平衡凝結(jié)。在動(dòng)力、化工、核能、冶金等領(lǐng)域中蒸汽非平衡凝結(jié)是普遍存在的現(xiàn)象，像汽輪機(jī)、噴嘴、超音速風(fēng)洞、蒸汽噴射泵等流場(chǎng)中，蒸汽往往處于跨音速或超音速流動(dòng)狀態(tài)，再加上蒸汽強(qiáng)烈的可壓縮性，極易導(dǎo)致非平衡凝結(jié)現(xiàn)象發(fā)生。凝結(jié)發(fā)生后，水蒸汽幾乎吸收了全部的凝結(jié)潛熱，導(dǎo)致流場(chǎng)性質(zhì)的劇烈變化，可能產(chǎn)生凝結(jié)激波等現(xiàn)象。由此可見(jiàn)，水蒸汽非平衡凝結(jié)流動(dòng)過(guò)程是一個(gè)伴隨著非平衡凝結(jié)、凝結(jié)激波等現(xiàn)象的復(fù)雜過(guò)程，其不僅帶來(lái)對(duì)設(shè)備腐蝕的危害，還引起動(dòng)力損失。何況，水蒸汽的非平衡凝結(jié)問(wèn)題屬于相變問(wèn)題，而相變的數(shù)學(xué)理論被列為21世紀(jì)的100 個(gè)科學(xué)難題之一，可見(jiàn)，對(duì)高速流動(dòng)中蒸汽非平衡凝結(jié)流動(dòng)的研究不僅具有巨大的工程實(shí)際意義，還具有很高的學(xué)術(shù)價(jià)值。經(jīng)過(guò)幾十年各國(guó)專家學(xué)者的不懈努力，對(duì)水蒸汽非平衡凝結(jié)流動(dòng)研究無(wú)論在實(shí)驗(yàn)研究、理論研究，還是在數(shù)值模擬方面都取得了巨大的成就。

1、實(shí)驗(yàn)研究

　　早在1897 年，Wilson 就將膨脹云室方法引入到成核、凝結(jié)問(wèn)題的研究中，經(jīng)過(guò)Allard 和Kassner改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)凝結(jié)液滴計(jì)數(shù)，得出了與過(guò)飽和度有關(guān)的成核率。而Langsdorf于1939 發(fā)明了擴(kuò)散云室法，由于該方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)成核過(guò)程的控制以及對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的測(cè)量和觀察，在研究成核或凝結(jié)現(xiàn)象方面受到廣泛應(yīng)用。此外，借助噴管和激波管進(jìn)行研究也是比較廣泛的。

　　自1936 年P(guān)randtl給出噴管流場(chǎng)中的斜“X-Shock”并將其產(chǎn)生原因解釋為水蒸汽凝結(jié)對(duì)流場(chǎng)的影響后， 凝結(jié)成核問(wèn)題的研究得到了迅速發(fā)展。Wegener 和Wu利用噴管使氣-汽混合氣體快速定常絕熱膨脹獲得了較高冷卻率，就在同年，Conrad首先利用噴管對(duì)氣體進(jìn)行加速膨脹產(chǎn)生凝結(jié)，并測(cè)量了凝結(jié)液滴的尺寸。此外，Oswatitsch、Wegener、Frank 等也利用噴管對(duì)凝結(jié)現(xiàn)象進(jìn)行了卓有成效的研究。

　　1951 年，Wegener 和Lundquist 利用膨脹式激波管技術(shù)，使水蒸汽達(dá)到很高的過(guò)飽和狀態(tài)，對(duì)水蒸汽凝結(jié)現(xiàn)象進(jìn)行了研究。之后，Peters[16]對(duì)該方法進(jìn)行了改進(jìn)，提高了成核率和液滴生長(zhǎng)速率的測(cè)量精度。另外，Peters利用其改造后的激波管，得出過(guò)飽和狀態(tài)下氫氣- 水汽混合氣體中蒸汽的成核率范圍為107 cm-3s-1~109 cm-3s-1，并且指出過(guò)飽和度并不像經(jīng)典成核理論描述的那樣隨著溫度的降低急劇增加。此外，他們還發(fā)現(xiàn)水滴尺度在增長(zhǎng)過(guò)程中呈現(xiàn)單一分布。1993 年，Looijmans 等基于Peters 的工作，對(duì)激波管做了改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了脈沖成核過(guò)程，使同質(zhì)成核率的測(cè)量精度大大提高。Glass 等使用紋影照片技術(shù)展示了稀疏波膨脹扇內(nèi)的凝結(jié)過(guò)程。Barrand 等對(duì)激波管驅(qū)動(dòng)段中稀疏波對(duì)水汽- 氨氣和水汽-氮?dú)饣旌蠚怏w的作用和凝結(jié)開始的時(shí)間做了實(shí)驗(yàn)研究。1995 年，F(xiàn)u 等利用常規(guī)激波管實(shí)驗(yàn)技術(shù)在研究了水汽瞬態(tài)相變過(guò)程中發(fā)現(xiàn)瞬態(tài)凝結(jié)溫度存在滯后效應(yīng)。

　　伴隨著蒸汽自發(fā)凝結(jié)流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)研究還存在很多問(wèn)題亟待解決，目前，蒸汽凝結(jié)流動(dòng)的測(cè)量還很困難，系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究成本很大，這也使得實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展緩慢，尤其在國(guó)內(nèi)對(duì)伴隨蒸汽非平衡凝結(jié)流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)研究還很少。但是，已有的實(shí)驗(yàn)研究加深了人們對(duì)高速流動(dòng)中蒸汽非平衡凝結(jié)現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)，正是在此基礎(chǔ)上，凝結(jié)理論才能從形成走向不斷完善;實(shí)驗(yàn)研究成果也為伴隨著蒸汽非平衡凝結(jié)流動(dòng)的數(shù)值模擬研究提供了寶貴的驗(yàn)證數(shù)據(jù)，有力的支持了數(shù)值模擬研究的開展。

結(jié)語(yǔ)

　　本文就高速蒸汽非平衡凝結(jié)流動(dòng)的研究進(jìn)展及現(xiàn)狀，從實(shí)驗(yàn)、理論和數(shù)值模擬等方面做了綜述。實(shí)驗(yàn)研究是蒸汽非平衡凝結(jié)流動(dòng)數(shù)據(jù)資料的最可靠來(lái)源，雖然實(shí)驗(yàn)研究還存在測(cè)量困難、成本昂貴等問(wèn)題，但是通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，加深了人們對(duì)蒸汽非平衡凝結(jié)流動(dòng)現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)，并且積累了寶貴的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，有力地支持了理論和數(shù)值模擬研究;從凝結(jié)理論的研究進(jìn)展和應(yīng)用情況來(lái)看，理論研究進(jìn)展緩慢，現(xiàn)在普遍使用的成核模型和液滴生長(zhǎng)模型大多是幾十年前的成果，其中Kantrowitz 的非等溫修正成核模型和Young 的液滴生長(zhǎng)模型較為完善，應(yīng)用最為廣泛;在數(shù)值模擬研究方面，目前建立的數(shù)值模型主要有顆粒軌跡模型、單流體模型和雙流體模型。從模擬結(jié)果來(lái)看，顆粒軌跡模型面臨著高維計(jì)算、收斂速度和計(jì)算量等的限制，單流體模型面對(duì)汽液兩相間的作用情況、汽液相間作用對(duì)流場(chǎng)影響、液相流動(dòng)特性和參數(shù)分布等問(wèn)題卻無(wú)能為力，而雙流體模型克服了上述模型的不足，不僅能對(duì)蒸汽非平衡凝結(jié)流動(dòng)進(jìn)行準(zhǔn)確地描述，還能得出液相的流動(dòng)特性和重要參數(shù)分布，從而能更好地揭示凝結(jié)對(duì)流場(chǎng)的影響和汽、液相間作用。近年來(lái)，隨著人們對(duì)蒸汽非平衡凝結(jié)流動(dòng)本質(zhì)認(rèn)識(shí)的不斷深入，以及計(jì)算流體力學(xué)等相關(guān)學(xué)科的飛速發(fā)展，通過(guò)建立合理、準(zhǔn)確、可靠的數(shù)值模型，從數(shù)值模擬角度對(duì)蒸汽非平衡凝結(jié)流動(dòng)進(jìn)行研究必將成為一種趨勢(shì)。