高比转速离心压气机叶轮的设计及其三维流场分析

利用三维数值模拟计算(CFD)技术进行了100 kW微型燃气轮机的高比转速离心压气机叶轮的设计与内部流动的数值模拟与分析,得到了相应的特性曲线与主要气动参数分布。根据数值模拟分析,设计的100 kW微型燃气轮机高比转速离心压气机叶轮具有较高的效率和较宽广且平坦的工作特性,可以满足微燃机总体设计对压气机的要求。流道内存在复杂的跨音速流动现象。在下一步工作中,有必要优化设计叶轮几何型线,提高压气机效率。     

高比转速离心压气机模型级叶轮内部三维流场分析与改进

利用三维数值模拟计算(CFD)技术和模型级与国外某 75 kW 燃气轮机压气机叶轮的内部流场进行了数值模拟,得到了相应的特性曲线与主要气动参数分布。完成的初步流场分析表明,尽管模型级有较高的效率和较宽广且平坦的工作特性,但叶轮设计仍有较多可改进之处。通过对计算结果进行的分析比较,得到了在离心压气机叶轮设计中有价值的初步性结果,为进一步的设计提供了改进途径和相应的基础数据。75 kW 燃气轮机的进气道型线经过优化改进后,总压恢复系数提高了 7.5％,并有进一步改进的余地。     

向心透平级内流动的数值研究

本文基于三维N-S方程组,采用结构化网格,用数值方法模拟了一台75 kW微型燃气轮机中涡轮级内的流动。湍流模型采用Baldwin-Lomax模型,计算方法基于Jameson格式。结果表明:静叶流道在吸力面一侧,沿子午流线的前25％区域气流快速膨胀,而压力面在60％以后逐渐膨胀。一定的气流入口角能有效控制导叶内横向二次流动,并使得气流出口角更加均匀,其出口气流的落后角也有明显的减小。在叶轮流道内部的损失区主要集中在吸力面一侧,叶顶间隙的泄漏流动使得吸力面与叶顶间的角隅区的损失有明显加大,控制叶轮的径向间隙对控制流动损失有明显作用。     

微尺度血液透析的多相数值模拟

建立血液流动的剪切稀化模型,并对3-D微管道内血液多相流动进行数值模拟,得到的结果与实验数据比较显示,该模型不仅能预测微管道内速度分布,还可以体现微尺度下血液流动的F-L效应.为了探索无膜透析可行性,利用该非牛顿两相流模型对T型微槽道内血液透析过程进行数值模拟,结果表明,血浆中质量扩散系数较大的组份很容易从血液扩散到透析液中,实现了组份分离.     

水蒸气含量对高温平板气膜冷却传热影响研究

IGCC系统中新一代先进燃气轮机透平通流部分处于高温高湿的工作环境,因此其内部流动存在固有的复杂的流热耦合问题。为指导燃气轮机透平叶片冷却系统设计必须开展对流热耦合问题的试验与数值研究。本文在一平板气膜冷却流热耦合实验台上开展了模拟新一代燃气轮机透平通流部分高温高湿工作条件的流热耦合机理研究,并进行了数值模拟。研究工作...     

热传导对微型涡轮动叶性能影响的数值模拟

为了探求热传导对微型燃气轮机性能的影响,使用CFX对某微型燃气轮机涡轮动叶的流动特性和换热性能进行了数值模拟并提出了考虑热传导损失的轮周效率的计算方法.通过计算发现热传导对流动和涡轮动叶的性能的影响不可忽略,热传导使动叶输出功和效率明显降低.考虑顶部间隙后,热传导的影响更加显著.     

大型轴流风机来流条件对内流影响的数值分析

本文对带有前后导叶以及复杂进气箱的大型轴流引风机的内流特性进行了全三维的数值计算,并且将其性能与实验数据进行了比较。研究捕捉了许多复杂的流动现象,说明部件之间的相互关联非常紧密。进气箱的复杂形状和不合理的轴套结构会增大流动的不稳定性和损失,并引起了下游流动的周向不均匀性。通过不同预选方案的对比,发现负预旋虽然加大了叶轮对气体的做功量,同时也增大了进口段全压损失且恶化了流场结构.另外,分析了前导叶位置对流动、性能的影响.为了提高数值计算的速度和精度,求解中采用了网格自适应和并行计算的技术.     

空冷透平静叶气膜冷却数值研究

为了深入了解空冷透平气膜冷却机理及三维流动特性,对某型燃气轮机透平静叶进行了详细的数值模拟。计算采用三维N-S方程有限体积解法,湍流模型为标准k-ε模型加改进的壁面函数方法,网格为非结构。计算域扩展到多排气膜冷却孔及与其相连的冷气通道内,求解亦包含所有冷却孔内部流动。根据计算结果重点对前缘气膜冷却复杂三维流动以及整个叶片的气膜冷却特性进行分析。     

电机转子内部通风冷却系统的流动分析与结构改进

本文根据某电机通风冷却系统的总体流动性能分析结果,采用数值模拟方法分析了该电机转子冷却系统中形状最为复杂、流动损失最大的旋转槽道内部三维流场.采用区域分块与边界拼接方法建立网格系统,数值计算结果表明,该旋转槽道内结构存在改进空间.为减少流动的局部阻力损失,对原模型流道结构进行改进,并建立了新的三维模型.新模型数值模拟结果表明,改进后的结构可以在保证换热效果基本保持不变的情况下,大大降低槽道内部流动损失.     

积分守恒型N-S方程通用形式及其在数值模拟中的应用

运用张量分析理论,分别给出了标量、矢量以及二阶张量等任意阶数张量的Gauss定理,并应用到积分形式流动控制方程的推导中,得到具有普遍意义的三维任意曲线坐标系上的积分守恒型N-S方程的通用形式,并采用有限体积的时间推进法对方程进行数值离散,研制了相应的CFD分析程序.作为算例,对具有复杂边界的大尺度离心叶轮内的旋转三维湍流场进行了数值模拟.与实验结果的比较表明,数值模型和解法是成功的,为复杂物理域的流动问题的数值模拟奠定了基础.     

微通道内气体流动的DSMC方法

基于压力边界条件开展了微尺度低速流动DSMC方法的研究, 定义了两个无量纲参数作为微尺度DSMC方法下网格尺寸与时间步长的约束条件, 通过微尺度Poiseuille流进行了方法的验证与比较, 获得了网格尺寸与时间步长的一般原则。在此基础上, 对变截面的单孔和双孔模型的微通道气体流动进行DSMC模拟, 结果表明, 通道几何形状对微尺度气体流动具有显著影响, 孔口后由于通道收缩, 产生压降, 导致气流加速, 并在孔口下游拐角处发生分离; 双孔口模型的流动结构与单孔口模型相似, 且在相同压差情况下, 经双孔口后的气体流速低于经单孔口后的气体流速; 随着入口压力的增加, 经过孔口压缩后的速度越大, 分离区尺寸也越大。      

Development of a wide range-operable,rich-lean low-NOx combustor for NH3 fuel gas-turbine power generation

Low-NOx NH₃-air combustion power generation technology was developed by using a 50-kWe class micro gas-turbine system at the National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST), Japan, for the first time. Based on the global demand for carbon-free power generation as well as recent advances involving gas-turbine technologies, such as heat-regenerative cycles, rapid fuel mixing using strong swirling flows, and two-stage combustion with equivalence ratio control, we developed a low-NOx NH₃-air non-premixed combustor for the gas-turbine system. Considering a previously performed numerical analysis, which proved that the NO reduction level depends on the equivalence ratio of the primary combustion zone in a NH₃-air swirl burner, an experimental study using a combustor test rig was carried out. Results showed that eliminating air flow through primary dilution holes moves the point of the lowest NO emissions to the lesser fuel flow rate. Based on findings derived by using a test rig, a rich-lean low NOx combustor was newly manufactured for actual gas-turbine operations. As a result, the NH₃ single fueled low-NOx combustion gas-turbine power generation using the rich-lean combustion concept succeeded over a wide range of power and rotational speeds, i.e., below 10–40 kWe and 75,000–80,000?rpm, respectively. The NO emissions were reduced to 337?ppm (16% O₂), which was about one-third of that of the base system. Simultaneously, unburnt NH₃ was reduced significantly, especially at the low electrical power output, which was indicative of the wider operating range with high combustion efficiency. In addition, N₂O emissions, which have a large Global Warming Potential (GWP) of 298, were reduced significantly, thus demonstrating the potential of NH₃ gas-turbine power generation with low environmental impacts.     

变截面微管道内声速点位置及临界压比

等直-收缩-扩张-等直（SCDS）变截面微管道主要应用于微型空间推进器和微型气体涡轮机等微器件中，研究其内流动特性对指导上述两种微器件的设计和性能的提高具有非常重要的意义.采用硅微加工技术在硅片上制作出矩形截面三维SCDS微管道，喉部宽度为16μm，深度为20μm，收缩比为1.625∶1实验测量了不同进出口压比条件下微管道内氮气的流量特性.实验设定进出口压比值范围为1.0—4.0，由此出口体积流量范围为0—0.12mL/s，流动的特征雷诺数小于350在实验研究的基础上，采用有限体积法对其内部流动特性进行了数值模拟，数值模拟结果与实验结果相符合.数值模拟结果发现两点不同于常规流动的特异现象：其一为最早出现声速点不在最小截面喉部附近，而是移到出口截面附近，即声速点的位置发生变化；其二为在进出口压比达到4.0时，SCDS微管道内部流场才出现声速点，即临界压比值（这里将管道内部首次出现声速点时对应的当地点压力与进口压力的比值定义为临界压比）发生变化.将其原因归结为表面效应（表面积与体积比值S/V）的影响，并进一步研究了这两点特异现象与S/V值之间的关系. 关键词： 等直-收缩-扩张-等直变截面微管道 声速点位置 临界压比 表面积与体积比值     

带有进气箱的轴流风机性能变化数值分析

本文对带有和没有进气箱的轴流风机进行了多个工况的整机三维流场分析,着重分析了进气箱内部的流动和出口速度的分布对风机性能的影响.计算结果表明,在符合良好流场设计原则的进气箱内部出现了明显的流动分离,该分离导致的进气箱出口速度不均匀分布引起了轴流风机的效率明显下降,但是出口压力却略有上升的效果.分析结果表明该进气箱需要进行进一步改进.该分析对类似进气箱的设计也有一定的参考价值.     

微柱群阻力特性实验研究

以去离子水为工质,流经直径为0.5 aim,高度分别为1.0 mm、0.75 mm、0.5 mm和0.25 mm的圆柱组成的柱群板,其宽度与长宽分别为3.5 mm和40 mm,测量通道进出口压差及流量,研究微柱群内部分别在叉排和顺排时液体流动的阻力特性.研究表明,微柱群内流动阻力系数f,随Re数的增大而逐渐减小,当Re数大于500时,f基本不变;微柱高度和直径之间存在一个有利于流动的最佳比例,该值介于1到1.5之间;顺排微柱群的f明显小于叉排微柱群,其,值为叉排微柱群的0.5倍.     

利用天然气冷量的朗肯循环发电流程的工艺模拟

高压天然气集输过程中节流会使天然气温度有明显的下降,提出了分别采用丙烷和混合工质的朗肯循环回收天然气的冷量进行发电。采用HYSYS软件对两种工艺分别进行了工艺模拟,结果表明采用混合工质时由于冷热流体间换热温差明显减小,因而循环效率提高了约40%。在夏季当天然气输量为55×104Nm2/d时,可以产生48.42kW的功率,冷能有效能的利用效率约为23.06%。     

Contamination-free high capacity converging waves sonoreactors for the chemical industry

A new sonoreactor technology is presented here which should give a decisive impulse to sonochemistry in various areas of chemical processing. These exclusive systems use high power converging acoustic waves in a tube to produce a relatively large volume confined acoustic cavitation zone in flowing liquid reagents under pressure. It is well known that numerous chemical reactions are strongly accelerated when they take place inside such a zone. The new cylindrical sonoreactors do not contaminate the processed liquids with erosion products as most other devices do since the cavitation zone is maintained away from the wall of the tube. The processing conditions can be widely varied with pressure, power, temperature, and flow rate. The processing capacity of the largest models may be up to several tons per hour, depending on the required cavitation energy per unit volume to produce the desired process enhancement, using an electric power input of about 50 kW.