針對高速蒸汽非平衡凝結流動的研究進展及現(xiàn)狀，從實驗研究、理論研究和數(shù)值模擬等方面給予了介紹。對實驗研究進展以及凝結理論中成核理論和液滴生長理論的研究進展、應用情況做了概述;著重介紹了數(shù)值模擬研究的進展及現(xiàn)狀，尤其對較為成熟的單流體數(shù)值模型和嚴謹完善的雙流體模型的特點、應用情況及數(shù)值模擬結果做了詳細的闡述，以期對高速蒸汽非平衡凝結流動方面的研究及成果的推廣應用起到促進作用。

　　水蒸汽從氣相到液相的轉變過程稱為水蒸汽凝結過程。若蒸汽處于過飽和狀態(tài)時才開始凝結則稱為非平衡凝結。在動力、化工、核能、冶金等領域中蒸汽非平衡凝結是普遍存在的現(xiàn)象，像汽輪機、噴嘴、超音速風洞、蒸汽噴射泵等流場中，蒸汽往往處于跨音速或超音速流動狀態(tài)，再加上蒸汽強烈的可壓縮性，極易導致非平衡凝結現(xiàn)象發(fā)生。凝結發(fā)生后，水蒸汽幾乎吸收了全部的凝結潛熱，導致流場性質(zhì)的劇烈變化，可能產(chǎn)生凝結激波等現(xiàn)象。由此可見，水蒸汽非平衡凝結流動過程是一個伴隨著非平衡凝結、凝結激波等現(xiàn)象的復雜過程，其不僅帶來對設備腐蝕的危害，還引起動力損失。何況，水蒸汽的非平衡凝結問題屬于相變問題，而相變的數(shù)學理論被列為21世紀的100 個科學難題之一，可見，對高速流動中蒸汽非平衡凝結流動的研究不僅具有巨大的工程實際意義，還具有很高的學術價值。經(jīng)過幾十年各國專家學者的不懈努力，對水蒸汽非平衡凝結流動研究無論在實驗研究、理論研究，還是在數(shù)值模擬方面都取得了巨大的成就。

1、實驗研究

　　早在1897 年，Wilson 就將膨脹云室方法引入到成核、凝結問題的研究中，經(jīng)過Allard 和Kassner改進，實現(xiàn)了對凝結液滴計數(shù)，得出了與過飽和度有關的成核率。而Langsdorf于1939 發(fā)明了擴散云室法，由于該方法實現(xiàn)了對成核過程的控制以及對整個實驗過程的測量和觀察，在研究成核或凝結現(xiàn)象方面受到廣泛應用。此外，借助噴管和激波管進行研究也是比較廣泛的。

　　自1936 年Prandtl給出噴管流場中的斜“X-Shock”并將其產(chǎn)生原因解釋為水蒸汽凝結對流場的影響后， 凝結成核問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首先利用噴管對氣體進行加速膨脹產(chǎn)生凝結，并測量了凝結液滴的尺寸。此外，Oswatitsch、Wegener、Frank 等也利用噴管對凝結現(xiàn)象進行了卓有成效的研究。

　　1951 年，Wegener 和Lundquist 利用膨脹式激波管技術，使水蒸汽達到很高的過飽和狀態(tài)，對水蒸汽凝結現(xiàn)象進行了研究。之后，Peters[16]對該方法進行了改進，提高了成核率和液滴生長速率的測量精度。另外，Peters利用其改造后的激波管，得出過飽和狀態(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)水滴尺度在增長過程中呈現(xiàn)單一分布。1993 年，Looijmans 等基于Peters 的工作，對激波管做了改進，實現(xiàn)了脈沖成核過程，使同質(zhì)成核率的測量精度大大提高。Glass 等使用紋影照片技術展示了稀疏波膨脹扇內(nèi)的凝結過程。Barrand 等對激波管驅動段中稀疏波對水汽- 氨氣和水汽-氮氣混合氣體的作用和凝結開始的時間做了實驗研究。1995 年，F(xiàn)u 等利用常規(guī)激波管實驗技術在研究了水汽瞬態(tài)相變過程中發(fā)現(xiàn)瞬態(tài)凝結溫度存在滯后效應。

　　伴隨著蒸汽自發(fā)凝結流動的實驗研究還存在很多問題亟待解決，目前，蒸汽凝結流動的測量還很困難，系統(tǒng)的實驗研究成本很大，這也使得實驗研究進展緩慢，尤其在國內(nèi)對伴隨蒸汽非平衡凝結流動的實驗研究還很少。但是，已有的實驗研究加深了人們對高速流動中蒸汽非平衡凝結現(xiàn)象的認識，正是在此基礎上，凝結理論才能從形成走向不斷完善;實驗研究成果也為伴隨著蒸汽非平衡凝結流動的數(shù)值模擬研究提供了寶貴的驗證數(shù)據(jù)，有力的支持了數(shù)值模擬研究的開展。

結語

　　本文就高速蒸汽非平衡凝結流動的研究進展及現(xiàn)狀，從實驗、理論和數(shù)值模擬等方面做了綜述。實驗研究是蒸汽非平衡凝結流動數(shù)據(jù)資料的最可靠來源，雖然實驗研究還存在測量困難、成本昂貴等問題，但是通過實驗研究，加深了人們對蒸汽非平衡凝結流動現(xiàn)象的認識，并且積累了寶貴的實驗數(shù)據(jù)，有力地支持了理論和數(shù)值模擬研究;從凝結理論的研究進展和應用情況來看，理論研究進展緩慢，現(xiàn)在普遍使用的成核模型和液滴生長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 的液滴生長模型較為完善，應用最為廣泛;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。從模擬結果來看，顆粒軌跡模型面臨著高維計算、收斂速度和計算量等的限制，單流體模型面對汽液兩相間的作用情況、汽液相間作用對流場影響、液相流動特性和參數(shù)分布等問題卻無能為力，而雙流體模型克服了上述模型的不足，不僅能對蒸汽非平衡凝結流動進行準確地描述，還能得出液相的流動特性和重要參數(shù)分布，從而能更好地揭示凝結對流場的影響和汽、液相間作用。近年來，隨著人們對蒸汽非平衡凝結流動本質(zhì)認識的不斷深入，以及計算流體力學等相關學科的飛速發(fā)展，通過建立合理、準確、可靠的數(shù)值模型，從數(shù)值模擬角度對蒸汽非平衡凝結流動進行研究必將成為一種趨勢。