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。

300MW汽轮机内异质均质凝结的实验研究

为减少湿蒸汽损失,汽轮机低压缸设计中需要知道湿蒸汽的水滴参数。水滴参数与凝结过程紧密相连,但目前已有的凝结理论模型和实验室中的喷嘴实验结果不能直接应用于真实的汽轮机中。简单介绍了汽轮机低压缸内湿蒸汽的凝结机制和新研制的改进型湿蒸汽测量系统的工作原理。基于实测变背压过程中直接空冷机组低压汽轮机末级后的蒸汽湿度参数并结合凝结机制,分析变背压过程中蒸汽湿度参数的变化规律及原因,证实了汽轮机中存在异质凝结现象以及凝结从异质为主向均质为主转变的过程。

一维喷管中湿蒸汽非均质凝结流动的研究

本文研究了湿蒸汽流中的非均质凝结流动现象,建立了自发凝结流动和非均质凝结流动统一的数值模型,并对一维喷管中的非均质凝结流动进行了数值分析。结果表明,蒸汽中杂质微粒浓度是影响非均质凝结流动的主要因素,在微粒浓度达到 10^(13)～10^(14)/kg 后杂质开始对凝结流动产生明显影响;在微粒浓度约为 10^(14)～10^(16)/kg 的范围内,外来凝结核并没有抑制流动热力学不平衡的发展,反而使其程度加深;在微粒浓度大于 10^(17)～10^(18)/kg 的情况下,足够多的外来凝结核充分抑制了非平衡条件下的自发凝结,整个流动过程中蒸汽始终处于平衡态附近。此外,微粒半径等因素对非均质凝结流动也有影响。

均质凝结中蒸汽的极限过冷度

本文应用统计热力学巨正则系综的密度涨落理论；提出了确定均质凝结中蒸汽极限过冷度的方法，得出了蒸汽凝结机制较沸腾机制复杂得多的结论，并推测出动力学影响是蒸汽凝结不可忽略的重要因素。

蒸汽透平静叶栅均质与非均质凝结流动数值研究

基于存在自发凝结的均质与非均质湿蒸汽两相流动,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,对二维叶栅中的均质与非均质凝结流动进行了数值研究与分析,结果表明,蒸汽中含有一定量的杂质可以有效地改善湿蒸汽的流动状况,减小非平衡凝结流动产生的热力学损失。对由外界提供的凝结核心在不同的初始浓度和初始半径时,叶栅内的流动状态进行了数值分析,结果表明:非均质凝结流动随初始粒子半径的减小与浓度的增大而增强,自发凝结流动被逐渐抑制,但是完全的非均质凝结流动使得叶栅出口处的湿度增加,所以根据不同的叶栅应选择合适的初始粒子半径和浓度。

电荷作用对均质-非均质凝结流动的影响

基于Fletcher成核理论及均质-非均质凝结双流体模型,讨论了电荷作用对凝结流动的影响,结果表明:有无电荷影响时,成核率计算公式精度均较高,流场参数的计算结果与实验结果吻合良好,相对误差不超过5%,表明所建的均质-非均质凝结双流体模型具有较高精度.不带电时,加入颗粒半径为5nm颗粒前后流场过冷度差别较小,加入颗粒半径分别为8nm和10nm颗粒后过冷度峰值虽分别降低2K和7K,但均导致自发凝结向下游迁移.当颗粒带电荷量为Q=1e,加入颗粒半径为5nm颗粒情况下对减小成核自由能障、增加非均质成核率的作用最为明显,这一作用在颗粒半径为8nm时较弱,颗粒半径为10nm情况下最弱.当带电量增加至Q=3e时,加入颗粒半径分别为5nm和8nm颗粒情况下峰值过冷度与均质凝结相比分别下降10K和6K,且较明显地抑制了自发凝结发生.

湿蒸汽非均质高速凝结流动的数值研究

基于冠状成核机理,建立了湿蒸汽两相非均质凝结流动数值模型,对缩放喷管、汽轮机叶栅和汽轮机级内湿蒸汽两相非均质凝结流动进行了数值模拟.结果表明:与自发凝结相比,非均质凝结流动中杂质颗粒改变了凝结过程;杂质颗粒减小了喷管中凝结激波强度,改变了汽轮机叶栅中的压力分布,降低了蒸汽过冷度,减少了不平衡热力学损失;在汽轮机级内,非均质凝结流动的动、静叶进、出口汽流角接近过热蒸汽流动的动、静叶进、出口汽流角,其动叶前压力高于过热蒸汽的动叶前压力,但级反动度偏离过热蒸汽流动数值.

直接空冷汽轮机末级蒸汽异质／均质成核凝结过程的在线测量

采用新研制的改进型联合探针测量了某300 MW直接空冷机组低压汽轮机末级后部分区域变背压过程中的汽流参数,包括马赫数、攻角、偏转角、静压、流速和蒸汽湿度及水滴尺寸等参数.结果表明:空冷低压汽轮机末级在较高背压时并不处于湿蒸汽状态,随背压降低先出现异质成核凝结,而后才出现均质自发成核凝结.2种凝结状态之间存在着2种凝结机理共存的阶段,在此阶段凝结会出现很大波动.异质成核凝结产生的水滴尺寸大于均质自发成核凝结的水滴.

利用密度涨落确定均质核化中流体的极限温度

应用统计热力学巨正则系综的密度涨落理论 ,提出了确定均质沸腾中液体极限过热度和均质凝结中蒸汽极限过冷度的方法。以水及水蒸汽作了不同压力下的相关计算 ,得出了蒸汽凝结机制较沸腾机制复杂得多的结论 ,并推测出动力学影响是蒸汽凝结不可忽略的重要因素。

凝结理论在汽轮机设计中应用的探讨

本文在总结西安交通大学湿蒸汽研究小组近年来部分研究成果的基础上,提出自发凝结和非均质凝结流动理论应用于蒸汽透平设计的两条技术途径。通过对自发凝结和非均质凝结进行对比,指出非均质凝结优于自发凝结的原因在于非均质改变了凝结模式。基于物理学中对带电微粒表面张力特性的研究成果,进一步提出利用电场影响凝结过程,在纯净水蒸汽中实现与非均质凝结类似过程的设想。

燃煤烟气中可凝结颗粒物测试方法评估

燃煤电厂总颗粒物(TPM)包含可过滤颗粒物(FPM)和可凝结颗粒物(CPM)。在滴管炉上使用静电低压撞击器(ELPI^(+))结合美国环保署202方法的改进方法来研究可凝结颗粒物的化学组成和粒径分布特征。结果发现可凝结颗粒物改进采样方法的结果达到美国环保署202方法结果的81%以上。可凝结颗粒物主要包含有机和无机两部分。其中有机组分由烷烃/烯烃,含氧有机物以及芳香烃三部分组成,无机组分中硫向可凝结颗粒物的迁移最为显著,造成无机中硫酸根的含量最高。对于可凝结颗粒物的粒径分布特征分析可以得出异相凝结对整个粒径段颗粒物都有影响,而均相凝结主要对细颗粒物有影响。可凝结颗粒物中汞浓度为2~4 ng/m³,主要形态是HgCl_(2)和HgBr_(2)。

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。

提高喷管内天然气液化效率的方法

结合气、液相流动控制方程组,利用数值模拟计算,研究了利用非均质凝结及两级超声速旋流分离装置以提高天然气液化效率的可行性。结果表明,非均质凝结过程中,外界核心的存在能够有效降低气体凝结过程中的自由能障,促进液滴的凝结及生长;随着外界核心浓度的增大或外界核心半径的减小,喷管内自发凝结过程逐步被抑制,非均质凝结逐步占据主要地位;外界核心浓度的增大有利于凝结过程的发生,同时外界核心半径不能过大,外界核心半径大于1×10-7 m时,不发生非均质凝结。外界核心浓度为1×1017/kg、外界核心半径为1×10-9 m时,出口湿度较自发凝结过程湿度增加82.17%,提高了喷管内天然气液化效率。结合流量函数方法,设计了第1级超声速旋流分离装置的扩压段,在此基础上设计了两级液化过程,其综合湿度为0.107,较第1级单独使用时提高155.13%,较第2级单独使用时提高31.98%。两级液化装置较单级液化装置有更好的天然气液化效果。

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。