自发凝结流动数值模拟方法及其在Laval喷管中的应用

本文对存在自发凝结的湿蒸汽两相流动建立了完全欧拉坐标系统下的数理模型。采用考虑了真实流体性质的 LU-SGS-GE隐式时间推进算法和改良型高精度、高分辨率MuSCL TVD差分格式求解存在自发凝结的汽液两相流动控制方程组。文中水及水蒸汽性质数据全部取自IAPWS-IF97国际标准公式。对某Laval缩放喷管内的湿蒸汽自发凝结流动的数值模拟结果表明,本文所采用的数理模型及计算方法是有效和可靠的。     

水蒸气超音速流动中自发凝结现象的数值模拟

本文研究了水蒸气超音速流动过程中的自发凝结现象.在欧拉坐标系下建立了二维可压缩守恒型数值计算模型,引入3系数维里型状态方程对水蒸气超音速凝结流动进行了数值模拟,依据Moore等提供的实验数据对缩放喷管算例进行了数值校验,验证了数值模型的可信度和准确性,在此基础上分析了水蒸气超音速凝结流动的特点和规律,揭示了水蒸气超音速流动过程中的自发凝结、液滴增长,凝结冲波等热力学现象的规律.     

湿蒸汽两相流动问题的耦合求解

控制湿蒸汽两相流动(汽相和液相)的方程个数多,其数值模拟通常采用将两相分开、两相间用参数传递的方法来处理。本文首次尝试将湿蒸汽两相流动汽相和液相的8个控制方程统一求解,推导了这一方程组的特征值及对应的特征向量,结合控制体积方法,采用TVD格式和时间推进法数值求解这一耦合方程组,研发了相应计算软件。对二维喷管中的自发凝结和非均质凝结算例进行的数值模拟和分析,表明了本文方法和计算软件的有效性和可靠性。     

一维喷管中存在自发凝结的跨音速湿蒸汽两相流动数值模拟

本文结合液滴成核、生长理论及Ｅｕｌｅｒ方程组,在无滑移假设下,导出了描述存在自发凝结的湿蒸汽两相流动控制方程组。对汽液两相流动控制方程组采用ＴＶＤ格式离散、时间推进法求解。对准一维喷管中的湿蒸汽两相流动进行了数值模拟,得到了满意的计算结果。     

带除湿槽涡轮叶栅非平衡凝结流动数值研究

基于存在自发凝结的湿蒸汽两相流动,开发了基于汽液两相双流体模型和k-ε-k_p湍流模型的计算方法,并对喷管和二维叶栅进行数值验证,结果表明本文所开发的方法具有较高的可靠性。对某汽轮机末级除湿静叶考虑除湿槽结构的二维流场进行了数值研究,指出在叶片表面开设除湿槽结构,能够显著影响涡轮叶栅内的非平衡凝结流动。由于除湿槽对水滴的抽吸作用使得叶栅内成核率峰值降低,且变化幅度减小,因此成核过程更为稳定。除湿槽结构使得叶栅内部大水滴数目减少,尾迹区水滴平均半径减小,叶栅出口湿度下降。     

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.     

基于模拟有限差分的低渗透油藏非达西油水两相流动数值模拟

在模拟有限差分研究单相非线性流动基础上,进一步推广到低渗透油藏非达西油水两相流动数值模拟中,以拟线性流动模型对该方法的基本原理进行详细阐述,建立相应的数值计算格式,并采用IMPES方法对其两相流问题进行求解,通过数值算例验证方法的正确性和适用性.     

方形分离器内气固两相流动的数值模拟

本文采用颗粒随机轨道模型，并与ｋ－ε模型及应力代数模型相结合，对方形分离器内的三维气固两相流动进行了数值模拟，气相计算得到了与实验结果基本一致的湍流流场，两相计算得出了与实验基本符合的分离器分离效率曲线。计算结果表明，在方形分离器内的旋风流动计算中，ｋ－ε模型及应力代数模型均得到比较合理的结果，并与实验符合较好；两相流动的计算初步分析了方形分离器的分离性能及分离机理，得到对工程设计有指导意义的结论。     

非定常粘性空化流动模型及其数值计算

基于气液两相当地均相介质模型,本文给出了一种模拟非定常粘性空化流动的计算模型。认为空化绕流流场中流动介质是一种当地均匀的气液混相物。控制方程采用了应用两相流模型的N-S方程。基于液相和气相的状态方程推导了混合介质密度的表达式。为了保证数值计算的稳定性,控制方程的数值求解采用了TVD-MacCormack格式。为了评价计算模型的可靠性,分别计算了绕台阶和管道水锤的空化流动,所得结果是合理的,说明该方法可以用于空化流动的数值计算。     

水蒸气超声速非平衡流动中凝结激波的形态特征

引入水蒸气非平衡相变的动力学模型,并在水蒸气真实物性的基础上,建立了水蒸气超声速非平衡流动的守恒型数值计算模型,采用对激波捕捉具有高精度和高分辨率的Roe-FDS格式,数值捕捉了水蒸气超声速流动中的非平衡相变与凝结激波。以非平衡相变中液相质量增长率为基准,将非平衡凝结相变引发的凝结激波划分为凝结激波起始发生区、凝结激波交汇区和凝结激波消退区三个区域,分析了凝结激波的形成机理,得到了凝结激波发生及发展的"X"型分布特征,并归纳了凝结激波的分区物理特性和热力学特性。     

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。     

出气边形状对叶栅中凝结流动影响机理的数值研究

湿蒸汽两相凝结流中凝结过程对流场参数的变化敏感。本文对一个叶型五种出气边形状对应的凝结流动进行了比较,以初步揭示几何参数影响凝结流动的机理。结果显示,出气边形状的改变影响凝结流中水滴状态、熵增、湿度、出口气流角的分布。在本文计算条件下,当出气边为平行于切向的平面时,流动中熵增最小,叶栅出口处湿度也最小,其原因在于这种出气边形状造成的流场参数改变使叶栅中蒸汽凝结过程受到抑制,叶栅出口蒸汽仍然维持了较高的非平衡程度。     

三维湿蒸汽流动快速准确数值模拟方法及应用

本文以解析化wilson点参数和相对饱和湿度算法为基础,发展了三维粘性非平衡态湿蒸汽流动的快速准确数值模拟方法,模拟了一实际运行机组低压缸初始凝结级内的流动,分析了与非平衡态凝结相关的流动现象。该方法可成为汽轮机湿蒸汽级流动的分析和设计的先进和实用的平台。     

Experimental Research on Wet Steam Flow With Shock Wave

The article presents research on a wet steam transonic flow in a Laval half-nozzle with a shock wave. The motivation for this research was to investigate the shock wave/liquid phase interaction in the transonic wet steam flow. This phenomenon is responsible for the lack of good correspondence between experimental data and computational fluid dynamics results. For the tests, the geometry of the half-arc nozzle was used. The shock wave formation at the divergent section of the nozzle is caused by too high back-pressure. The observed instabilities in the flow are mainly initiated by the shock wave/liquid film (boundary layer) interaction. The numerical calculations were compared with experimental results with respect to the static pressure distribution along the nozzle.     

湿蒸汽非平衡态凝结流动的数值方法研究

在欧拉-欧拉、非结构有限体积框架下发展了湿蒸汽非平衡态凝结流动的数值方法。推导了基于真实物性,密度、内能和湿度全耦合的Roe通量。提出了适用于欧拉-欧拉法的三自由度TTSE水蒸气表。使用矩方法(MOM)和积分矩方法(QMOM)模拟水珠半径分布,并就时间推进时QMOM方法的不稳定现象给出了修正方法。通过两个无黏喷管和一个湍流平面叶栅算例进行了验证,表明本文的数值方法能比较准确地捕捉非平衡态凝结现象。     

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.     

自然循环蒸汽发生器倒U型管内单相水流动及传热特性分析

本文以模拟压水反应堆一回路系统在自然循环条件下运行时的蒸汽发生器为对象,提出了分析蒸汽发生器并联倒U型管内单相水的流动及传热流特性的数学模型及相应的数值计算方法,计算结果表明,在一定的回路系统自然循环流动条件下,并联倒U型管内会同时发生正流和倒流。并发现,蒸汽发生器倒U型管内的倒流对一回路系统的自然循环流量有重要影响。     

含湿天然气超音速凝结研究

在气液无滑移假设下建立了天然气超音速凝结数理模型,研究了天然气中水蒸气的超音速凝结过程,并分析了Laval喷管扩张段半扩张角对凝结的影响.结果表明凝结模型是合理的,液滴成核只发生在喷管喉部后非常狭窄的区域,此后水滴的生长变得非常缓慢,直至喷管出口不再发生显著的增加;喷管半扩张角的大小对液滴的成核、生长有显著影响,成核位置随半扩张角的增加略向上游移动;喷管扩张段0.16°半扩张角在总压损失、出口马赫数、出口液滴尺寸等方面具有最佳的综合效果.