透平级中自发凝结及叶栅中非均质凝结流动的初步研究

湿蒸汽流动问题研究对提高蒸汽透平设计水平具有重要意义。本文对级环境下的自发凝结流动和和叶栅中的非均质凝结流动进行了数值研究。结果表明,透平级环境下的凝结不仅使流动模式发生了变化,也改变了级的反动度;蒸汽中一定量的杂质对叶栅中湿蒸汽凝结流动的流场发生变化,使流动情况得到改善。要使这些影响从工程上具有指导意义,在此基础上还需要进一步的研究。     

进汽参数对汽轮机叶栅通道内自发凝结影响的数值分析

为准确描述汽轮机级内湿蒸汽凝结流动特性,采用双流体模型结合修正的均质成核和水滴生长模型,实现汽轮机初始成核级叶栅通道内非平衡凝结数值求解。通过焓损失系数与自由能理论进一步分析了进汽参数变化对汽轮机叶栅通道内湿蒸汽自发凝结流动的影响,结果表明:随着过热度的降低,非平衡凝结起始位置提前,非平衡凝结现象更剧烈,凝结产生的液相质量分数增加,热力学损失升高;进口湿度对水滴的生长和蒸发速率非常敏感,对凝结冲击位置有很大的影响;入口湿蒸汽液滴直径越大,阻碍相变的自由能壁垒越低,二次凝结现象越易发生,热力学损失越大,当湿度为0.01的液滴直径超过0.2μm时,均质成核的二次凝结现象逐渐发生;二次成核的临界水滴直径随着湿度的增加而增大。     

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。     

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。     

天然气超音速低温液化技术研究

液化是天然气利用的一种重要形式,在天然气消费中占有重要地位,天然气超音速液化技术是一种新型的天然气液化手段。为研究低温条件下天然气超音速凝结过程,特设计用于天然气超音速液化的Laval喷管,采用内部一致经典成核理论及Gyarmathy模型计算成核率及液滴生长率,在入口压力6 MPa、温度273.15 K的工况下,通过Fluent软件数值模拟了天然气超音速液化过程中主要参数在Laval喷管内的分布情况。结果表明:天然气进入Laval喷管后压力、温度不断降低(最低压力0.796 MPa,最低温度191 K),与等熵(无凝结)流动相比,天然气在Laval喷管喉部之后的一段距离饱和度增大到一定值时,由于释放潜热对气流的加热作用,压力开始升高,天然气产生凝结冲波现象,极限成核率为2.60×10~(21)/(kg·s);随着凝结潜热的释放,成核率急剧变为0;凝结核生成后伴随着液滴的继续生长,在Laval喷管出口处天然气凝结的液滴半径为3.90×10~(-7) m,液滴数目为7.42×10~(14)/m~3,液相质量分数达0.232,取得了良好效果。     

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。     

基于S2流面方法的自发凝结湿蒸汽流动数值研究

基于欧拉S2流面计算程序,发展了一种Eulerian/Eulerian模型的湿蒸汽自发凝结流动数值计算方法,并将其应用于Moses-Stein喷管和某三级低压蒸汽透平性能预测。结果表明,该方法能够较准确地计算喷管中蒸汽的自发凝结现象,与实验结果吻合良好;能够合理预测低压蒸汽透平中湿蒸汽对气动参数的影响及气动参数的真实分布规律,为蒸汽透平提供了快速、准确的气动设计方法和工具。     

平面叶栅中的湿蒸汽两相结流动数值模拟

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下的数值模型.考虑水蒸汽与理想气体的偏差,引入维里型状态方程对模型作了进一步完善.对平面叶栅中的两相凝结流动进行了数值模拟,计算结果与实验值比较表明本文计算模型正确,可以扩展到三维复杂两相凝结流场的计算.     

外界核心对喷管内水蒸气凝结流动的影响

建立了考虑摩擦阻力的一维水蒸气超音速流凝结数学模型,对喷管内含有不同初始浓度和半径的外界核心的水蒸气超音速流凝结过程进行了数值计算。结果发现:当外界核心浓度在不同范围内时,外界核心半径对凝结有不同的影响规律;当外界核心半径在不同范围内时,外界核心浓度对凝结也有不同的影响规律;为了促进凝结的发生,要选择匹配的外界核心平均半径和浓度。选定喷管出口的液相质量分数为标准,针对计算的几种情况得出:当外界核心半径为1.0×10~(-9)m,外界核心浓度为1.0×10~(14)kg~(-1)时,对应的喷管出口处的液相质量分数最大。     

摩擦阻力对双组分混合物自发凝结影响的研究

为了揭示摩擦阻力对喷管内双组分混合物自发凝结流动的影响,建立了双组分混合物自发凝结流动数学模型,对双组分混合物的不平衡凝结流动进行了数值模拟,给出了沿喷管轴向的相关参数分布,模拟结果与相关文献实验结果基本一致.利用该模型研究了摩擦阻力对双组分混合物自发凝结的影响,发现摩擦阻力的大小对喷管内双组分混合物自发凝结参数都有很大影响,因此在喷管加工中努力提高加工精度,尽量减小摩擦阻力对自发凝结的影响是重要的.