超音速蒸汽浸没射流凝结汽羽形状的实验研究

本文对入口压力为0.20～0.50 MPa的饱和蒸汽在20～70 ℃过冷水中超音速浸没射流凝结所形成的汽羽的形状进行了实验研究.实验结果表明:根据汽羽膨胀的次数,汽羽形状主要有渐缩形、膨胀-收缩形、双膨胀-收缩形、收缩-膨胀-再收缩形和发散形五种;汽羽的穿透长度随着蒸汽入口压力的增大和过冷水温度的上升而逐渐增大;对于设计压比分别为0.318和0.113的喷嘴,汽羽的无量纲穿透长度分别在3.45～12.62和2.40～9.81之间,明显小于相同条件下音速蒸汽浸没射流凝结所形成的汽羽无量纲穿透长度.同时,在理论推导的基础上给出了计算汽羽无量纲穿透长度的实验关联式,其预测值与实验值误差小于18%.     

超音速蒸汽射流汽羽形状及压力分布的实验研究

本文针对喷嘴喉部直径为8 mm、出口直径为9.6 mm,压力为0.2～0.6 MPa的蒸汽在温度变化范围为20～70℃环境水中形成的超音速蒸汽浸没射流凝结进行了实验研究。实验观察到了五种典型的汽羽:渐缩形、膨胀-收缩形、双膨胀-收缩形、膨胀-收缩-发散形和发散形汽羽。实验测定了流场的压力分布并对轴线压力分布规律与汽羽凝结形态进行了对照分析;同时给出了流场的压力分布图,反映了流场中压力的影响范围随着蒸汽入口压力和过冷水温度的增加而逐渐扩大的规律。     

过膨胀超音速蒸汽射流的一种流形及其换热研究

针对进口压力0.4 MPa和0.5 MPa的过膨胀超音速蒸汽在20～50℃过冷水中浸没射流凝结形成的收缩-膨胀-收缩形汽羽的几何参数和换热特性进行了实验研究,并且给出了与汽羽形状对应的典型的射流温度场。建立了收缩-膨胀-收缩形汽羽的分析模型,给出了汽羽的收缩比和无量纲穿透长度。同时,根据平均凝结换热系数的实验关联式,得到射流凝结换热系数在0.71～1.16 MW/(m~2·℃)之间;通过简化得到汽羽表面积的计算公式,根据对流换热模型,得到的平均凝结换热系数在0.71～1.03 MW/(m~2·℃)之间,与实验关联式得到的结果基本一致。     

喷嘴结构对超音速凝结射流影响的数值研究

本文采用三维稳态的欧拉双流体模型,以自定义函数的形式在Ansys中嵌入基于热平衡的相变模型对超音速蒸汽在过冷水中稳定射流凝结的过程进行了数值模拟,对比模拟结果与实验结果的汽羽形状,发现二者吻合良好。当蒸汽入口压力为300 kPa,过冷水的温度为20℃,喷嘴喉部直径为8 mm,通过改变喷嘴出口直径为8.8、9.6、10.4、11.2以及12.0 mm.研究了喷嘴的压比对于超音速蒸汽射流凝结过程的汽羽形状影响,并且揭示了超音速蒸汽射流汽羽内部的流动过程。     

超音速蒸汽浸没射流凝结换热的实验研究

针对入口压力为0.20～0.50 MPa的饱和蒸汽在20～70℃过冷水中超音速浸没射流凝结换热进行了实验研究.结果表明入口蒸汽压力和过冷水温度是影响汽羽形状的主要因素.分子动力学理论得到的凝结换热系数在0.16～1.91 MW/(m2·℃)之间,随着过冷水温度的增加而增加;湍流强度理论得到的凝结换热系数在0.68～1.68 MW/(m2·℃)之间,随着过冷水温度的增加基本不变;对流换热理论得到的凝结换热系数在1.47～2.11 MW/(m2·℃)之间,随着过冷水温度的增加先增大后减小.     

蒸汽浸没射流凝结引起的冲击特性研究

本文在广泛的蒸汽压力和过冷水温度范围内,针对饱和蒸汽通过不同出口直径的喷嘴在过冷水中浸没射流凝结引起的压力冲击特性进行了实验研究,测量得到了不同轴向位置和径向位置的冲击压力,并分析了入口蒸汽压力,过冷水温度和喷嘴出口直径对冲击压力的影响规律。结果表明冲击压力主要受入口蒸汽压力和过冷水温度的影响;同时,当汽水参数以及无量纲轴向和径向距离相同时,不同出口直径的喷嘴对应的冲击压力变化很小,从而表明喷嘴出口直径对压力冲击影响很小。     

超音速蒸汽浸没射流与凝结换热的实验研究

本文对压力为0.20～0.40 MPa的蒸汽在27℃环境水中超音速浸没射流与凝结换热进行了实验研究.实验与分析结果表明:流场分为汽羽、汽液界面、汽液两相混合区和环境水四个区域;随着蒸汽入口压力的增大,依次出现圆锥-椭圆双层汽羽、圆锥形汽羽和椭圆形汽羽;当蒸汽入口压力从0.20 MPa增大到0.40 MPa时,汽羽的无量纲穿透长度从2.20近似线性增大到4.20,射流平均凝结换热系数随着蒸汽入口压力的增大缓慢减小,其数值在0.67～0.80 MW/(m2·℃)之间变化.     

垂直管内音速蒸汽射流凝结汽羽形状研究

本文针对质量流量376～773 kg·m^-2·s^-1的饱和蒸汽在温度变化范围为10～55℃流动水中形成的音速蒸汽射流凝结进行了实验研究。实验观察到了四种不同的汽羽形状,并且汽羽形状受Re影响较大。当Re与凝结驱动势减小时,最大膨胀比和汽羽喷射长度增大,其值小于蒸汽音速射流在静止水中的情况。本文给出了汽羽喷射长度实验关联式,大多数实验数据与预测值的误差小于10%。     

蒸汽空气混合物与过冷水直接接触凝结研究

通过实验研究了矩形通道内蒸汽-空气混合气体与过冷水的直接接触凝结过程。通过可视化窗口,利用高速摄像机发现了蒸汽质量流率150~400 kg/(m~2s),水质量流率6000~8000 kg/(m~2s),水温30℃条件下的三种纯蒸汽凝结流型:泡状流、振荡射流和稳定射流。研究了空气质量分数对凝结流型、壁面温度分布和压力分布的影响,结果表明:随着空气含量的增加,蒸汽在汽液相界面上的凝结变得困难,泡状流和振荡射流的汽液相界面明显变长,稳定射流则变化不大,汽液混合层的厚度明显增加,蒸汽区尾部聚集大量的气泡。此外,随着空气含量的增加,上壁面的温度降低,压力升高,下壁面的温度和压力均升高,且压力峰值点远离蒸汽喷嘴出口,说明汽液相界面变长。     

音速与超音速蒸汽浸没射流穿透长度的研究

高速蒸汽射入过冷水中形成连续的蒸汽区称为汽羽,汽羽穿透长度是反映蒸汽射流换热特性的重要指标。本文对音速与超音速蒸汽浸没稳定射流核心汽羽区的穿透长度进行了实验研究。实验表明:汽羽的无量纲穿透长度随着蒸汽质量流率的增大和过冷水温度的上升而逐渐增大;超音速蒸汽射流的无量纲穿透长度要小于音速蒸汽射流;超音速蒸汽射流的无量纲穿透长度随着对应喷嘴设计压比的减小而减小。根据实验数据拟合出新的无量纲穿透长度实验关联式,其计算值与实验值误差小于±15%。     

基于MPS方法的汽泡凝结数值模拟研究

采用移动粒子半隐式(MPS)方法对静止过冷水中单个汽泡的凝结现象进行了数值模拟,研究了不同初始压力和初始直径时饱和蒸汽汽泡凝结过程,获得了凝结过程中汽泡形状、当量直径和压力的变化规律;汽泡初始压力为0.1～0.5MPa,初始直径为2mm、3mm和5mm;过冷水压力为0.1MPa,温度为70℃。结果表明两相界面不存在压差时,凝结过程中汽泡始终保持球形,汽泡当量直径逐渐减小,压力近似不变;相界面存在压差时,凝结过程中汽泡从球形逐渐变为心形、半月形,汽泡当量直径和压力会出现周期性振荡,且初始压力越大振荡幅度越大。     

蒸汽-冷流体接触冷凝流动的数值模拟

介绍了关于蒸汽-冷流体直接接触冷凝流动与传热的数值计算模型与部分研究结果。用Level Set方法确定蒸汽-冷流体接触界面的位置和形状,建立了对蒸汽和冷流体普遍适用的动量、能量和质量守恒方程,在能量和质量寺恒方程中增加了部分项用于计算蒸汽冷凝所产生的影响。用有限差分法在交错网格上离散控制方程,用Runge-Kutta法-五阶WENO组合格式求解Level Set输运方程,用压力修正的迭代Projection方法求解动量方程,而用SIMPLE方法求解温度控制方程。对算例的计算结果表明,本文所建立的数值计算模型能反映物理现象的宏观特性。根据计算结果,分析了本文模型的优缺点,并指出了今后改进的方向。     

低压汽轮机三维叶栅通道内湿蒸汽两相流动的数值模拟与分析

采用完全气体单相流动模型、实际气体平衡态凝结和非平衡态自发凝结三种不同的计算方法对某低压汽轮机静叶栅中三维湿蒸汽两相流动进行了模拟和分析.计算表明:三种模式计算结果有一定的差别;水滴的生长过程对出口气流角分布有一定的影响;非平衡态计算得到的出口湿度比平衡态计算结果略微小一些;进一步的分析表明在非平衡态计算中,进口水滴半径对出口湿度和出口水滴半径均有影响.     

超临界注汽油井中蒸汽参数的数值计算

本文通过对动量方程、能量方程、散热方程等控制方程的离散求解,用稳态和瞬态相结合的方法,计算了超临界注汽油井地下垂直段、过渡段和水平段蒸汽参数（压力、温度等）和井简散热损失、压力降等随注入时间、注入流量和压力的变化规律．计算结果表明,随着井深的增加,蒸汽压力在垂直段和过渡段的前半部分是增加的,而在过渡段后半部分和水平段则减小,且同一井深位置随流量增加蒸汽压力减小,注入蒸汽压力高于２２ ＭＰａ时,井底蒸汽出口压力比入口高。同一井深位置每公斤蒸汽散热损失随流量的增加而减少,而随压力的增加无明显变化。井底蒸汽压力和温度在注入时间大约３天左右即趋于一稳定值,而井底热损失则随注入时间的增加而减少．     

蒸汽喷入过冷液面接触冷凝实验研究

对饱和蒸汽垂直喷入过冷液面直接接触冷凝进行了可视化实验,观察到近液面层汽液两相作用区的凝结现象,研究了系统压力响应特性,提出将蒸汽凝结过程分为"压力平衡"和"压力稳定"两个阶段,根据实验结果回归了不同凝结模式下平均凝结换热系数的实验关联式.通过对温度场的分析、得到了热水层的分布规律.     

蒸汽浸没射流引起的紊流区轴向温度分布研究

本文采用紊态扩散模型分析了蒸汽浸没射流凝结过程,通过假设紊流区为单相水轴对称流动,利用自由紊动射流理论得到了紊流区轴向温度的计算公式。根据先前给出的温度特性半宽的实验关联式,得到蒸汽浸没射流引起的紊流区单相水射流的虚源,从而给出了计算紊流区轴向温度的半经验公式。本文中利用无量纲穿透长度确定了紊流区的起点位置,在此紊流区范围内,轴向温度的计算值和实验值吻合得较好,相对误差基本在±5%以内。     

A Novel Dehumidification Strategy to Reduce Liquid Fraction and Condensation Loss in Steam Turbines

Massive droplets can be generated to form two-phase flow in steam turbines, leading to erosion issues to the blades and reduces the reliability of the components. A condensing two-phase flow model was developed to assess the flow structure and loss considering the nonequilibrium condensation phenomenon due to the high expansion behaviour in the transonic flow in linear blade cascades. A novel dehumidification strategy was proposed by introducing turbulent disturbances on the suction side. The results show that the Wilson point of the nonequilibrium condensation process was delayed by increasing the inlet superheated level at the entrance of the blade cascade. With an increase in the inlet superheated level of 25 K, the liquid fraction and condensation loss significantly reduced by 79% and 73%, respectively. The newly designed turbine blades not only remarkably kept the liquid phase region away from the blade walls but also significantly reduced 28.1% averaged liquid fraction and 47.5% condensation loss compared to the original geometry. The results provide an insight to understand the formation and evaporation of the condensed droplets inside steam turbines.     

汽轮机湿蒸汽级中凝结流动的三维数值分析

对一台凝汽式汽轮机低压末三级中的湿蒸汽自发凝结流动进行了三维数值分析,并与忽略自发凝结影响的流动计算结果进行了比较。结果表明,自发凝结流动中,湿蒸汽级组内焓降在各级之间的分配、各级反动度、级的工作压力范围、叶栅出口气流角和出口气流速度发生明显变化。各湿蒸汽级处于“变工况”运行状态,部分湿蒸汽级内流动状况显著变差,并导致叶片强度与振动方面安全性降低。除非平衡凝结损失外,凝结导致湿蒸汽透平级“变工况”运行是湿蒸汽级效率降低的重要原因。     

环周进汽两相流喷射升压过程实验研究

本文用实验方法研究了环周进汽/中心进水的超音速两相流喷射升压过程,得到混合腔内压力随进水温度、进汽压力和出水流量的变化趋势,研究了整体升压性能随实验参数的变化规律,揭示了环周进汽汽液两相流喷射升压装置的升压机理。这些工作对该装置的进一步研究有重要的理论指导意义。