Prandtl-Meyer膨胀波中水蒸气凝结的动态影响与数值模拟

本文《Prandtl-Meyer膨胀波中凝结的初步研究》由曹贇和罗喜胜两位作者共同完成，他们在中国科技论文在线上发表了这篇首发论文。他们的研究聚焦于含有水蒸气的气流在经历Prandtl-Meyer膨胀过程中的独特现象，即在气流快速膨胀导致温度急剧下降时，水蒸气会凝结并释放大量潜热，从而显著影响流场结构。Prandtl-Meyer膨胀波是一种特定的气动现象，通常在超音速流动中出现，当气流从亚声速转变为超声速时，会经历一个连续的加速过程，形成膨胀波。 研究者通过流场显示技术，对不同来流湿度下的膨胀波进行了实验观测。实验结果显示，随着来流湿度的增加，凝结区域逐渐增强，形成了从弱到强的凝结激波。然而，当湿度达到一定程度时，这种过高的湿度会在上游引发正激波，反而抑制了下游的凝结现象。这表明，凝结过程并非单纯线性增长，而是受到湿度和流场动态的复杂相互作用影响。 为了验证这些实验发现，作者还进行了数值模拟，将理论分析与实验数据进行对比，证实了研究成果的一致性。令人意外的是，他们发现，在特定的来流条件下，凝结过程引发了流场的自激振荡现象，即流场在没有外部驱动力的情况下，自发地产生周期性的扰动。这种自激振荡可能与凝结过程中的能量转换和非线性效应有关，为未来理解和控制这类复杂流动提供了新的见解。 这篇文章探讨了Prandtl-Meyer膨胀波中凝结现象的物理机制，不仅揭示了其对流场结构的重要影响，也为可压流体力学和多相流体动力学领域的理论发展贡献了新的实验证据和数值模型。这项研究对于理解高速气流中的能量转换、热力学过程以及飞行器设计等领域具有重要意义。