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。
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