低温透平膨胀机内平衡凝结两相流动的数值模拟

采用Peng-Robinson方程及零压多项式拟合了低温空气二元混合物的物性,利用商业软件ANSYS CFX对设计工况下的单相流动及进口升压降温后平衡凝结两相流动进行了数值模拟,得到了全低压空气分离流程中的低温两相透平膨胀机喷嘴和工作轮的温度场、压力场、流线及带液量云图,同时推导了该工况下膨胀机的等熵效率。结果表明,工作轮流道内吸力面壁面处的涡流会延迟凝结相变发生,叶片后缘处的尾迹使得吸力面壁面处的带液量有所减小。最后,通过实验验证了模拟结果,表明利用平衡凝结相变模型能够模拟小带液量透平膨胀机流道内的两相流动。该结果可为低温两相膨胀机研究提供参考。

变工况下气液两相液力透平的性能分析

利用ANSYS CFD软件对基于泵反转的液力透平进行了全三维定常和非定常数值计算,研究了变工况下气液两相液力透平内的气体分布、压力脉动、速度矩分布以及水力损失等性能。对不同工况进行的计算结果表明:小流量工况和最优工况时蜗壳、叶轮内的相对平均静压力和主频振幅都随着含气率的增加而减小;大流量工况稍有不同。蜗壳出口的速度矩呈阶跃分布,阶跃个数与叶轮叶片数相同,同一工况含气率对速度矩的影响不大;高含量率时透平叶轮出口气体出现聚集现象,含气率越高,流动过程中的水力损失越大。本文对研究气液两相介质下的液力透平性能具有一定的参考意义。

气液两相多级液力透平的全流道数值模拟

以DG85-80五级节段式离心泵做液力透平,基于CFD软件,采用N-S方程和标准κ-ε湍流模型,选择Mixture多相流模型,利用SIMPLE算法,对其在纯水介质和气液两相介质时进行全流道数值模拟,得到透平的外特性曲线和内流场规律。结果显示:气液两相透平在最优工况点的压头、功率比纯水透平的高,而水力效率和质量流量较纯水透平的低;在最优工况点,随着级数增加,气液两相透平各级导叶、叶轮进出口压差增大,其内部压力分布的不均匀性增加,叶片工作面进口附近的漩涡区域减小;与小流量时的透平相比,大流量时透平各级叶轮、导叶内部的气体体积分数较大,透平叶轮出口附近的高含气率区域较小,各流道中气体分布的不对称性加剧。

气液两相介质的多级液力透平特性

以DG85-80五级节段式离心泵作液力透平,采用N-S方程和标准k-ε湍流模型,选择Mixture多相流模型和SIMPLE算法,用CFD软件对不同体积含气率的气液两相介质的液力透平进行数值试验,分析其外特性和内部流动规律.结果表明:气体膨胀作功对液力透平能量特性的影响较大,透平进口含气率增大时,最优工况的压头和功率增大,水力效率和质量流量减小,各级导叶与叶轮交界面压力损失的总和变大;叶片背面压力小于工作面压力,叶片背面流体速度大于工作面,随透平进口含气率变大,叶轮各流道压力分布不均匀性加剧,叶片工作面进口附近的漩涡区域减小;叶片背面含气率比工作面的大,从导叶进口到叶轮出口含气率增大,从第一级到第五级,随级数增加,导叶-叶轮流道内体积含气率减小.

气液两相介质时液力透平径向力分析

基于N S方程和标准κ-ε湍流模型,采用SIMPLE算法,选择Mixture多相流模型,以比转速为41的离心泵反转作透平为研究对象,通过CFD软件对透平在气体体积分数为0％、5％、10％、15％的两相流介质中进行数值模拟,得到透平在不同气体体积分数下的外特性、静压力以及所受径向力的大小和方向,分析径向力对液力透平的影响.结果表明：透平的压头随着流量增大而逐渐增大;两相流时透平的径向力随着流量的增加而逐渐增大,随着气体体积分数的增大而逐渐变小,径向力的方向在沿液流距隔舌80°～ 130°角之间.

液力透平内气液两相流动的数值模拟

为进一步揭示气液两相条件下泵反转作液力透平的流动特性,考虑相间拖曳力和虚拟质量力,以空气和水作为能量回收工质,基于Euler-Euler非均相流模型,在泡状流型入流的假定条件下,对入口含气率分别为5%、15%、25%、40%的液力透平内流场进行了定常数值计算。结果表明:随着入口含气率的增加,相同流量下液力透平的水力效率和输出功率降低而压头升高,最高效率时对应的流量发生偏移;相同入口含气率下,沿蜗壳流道截面气相浓度和气相分布均匀度均降低,气相聚集于蜗壳截面中下方;不同入口含气率和流量下,各过流部件中蜗壳内气相分布相对最均匀;随入口含气率和流量的升高,各过流部件的气相浓度和分布的不均匀度均增加,存在明显的分界;叶轮流道内气相聚向叶片吸力面,随着入口含气率和流量的增加气相聚集程度增强、范围扩大,气相聚并成气团而滞留于叶轮流道,产生相态分离,气团上游存在对应漩涡;入口含气率较低时叶片压力面气相主要聚集在高压边侧,随着入口含气率增加,气相在叶片表面扩散,叶片压力面高压边附近靠近前盖板侧区域的气相浓度较高,叶片吸力面低压边附近区域的气相浓度较高;透平内气相速度总体上大于液相速度。

低温氦透平膨胀机的研究进展

对低温氦透平膨胀机的近期研究进展进行了介绍,特别指出了动压气体轴承在透平膨胀机中的应用现状与前景。

气液两相条件下液力透平内水力损失分析

为了研究气液两相条件下液力透平各过流部件内水力损失的分布情况,现选择比转速为55.7的单级单吸离心泵反转作液力透平,并对该模型在不同流量、不同含气率下进行数值计算,分析含气率变化对液力透平内水力损失分布规律的影响。研究发现:液力透平内主要水力损失发生在叶轮和蜗壳内,叶轮内水力损失约占总水力损失的55%,蜗壳内水力损失大约占总水力损失的39%;含气率对叶轮内水力损失影响最大,含气率越高液力透平各过流部件内水力损失以及总的水力损失越大。研究结果为液力透平结构的优化设计提供理论依据。

干度对气液两相动力循环理论功率的影响

为探究各类有机工质的干度对螺杆膨胀机气液两相动力循环理论功率影响的差异,选取典型的纯湿工质R152a、纯干工质R245fa以及二者按不同的质量配比所组成的Ca、Cb和Cc三种典型的非共沸混合工质为研究对象。通过改变螺杆机膨胀比RV、工质泡点温度T5等变量,得出系统理论功率Pt与蒸发器出口工质干度x之间的关系。结果表明,相同工况下,湿工质的理论功率Pt要明显高于干工质和等熵工质;所有工质的系统最大理论功率Pmax均随着RV或T5的增大,从高干度区(x=0.9～1.0)移向低干度区(x=0～0.2),所不同的是,RV或T5的变化对湿工质的影响要大于干工质和等熵工质。这说明,湿工质最适宜工作在螺杆膨胀机气液两相动力循环中,从而可以为螺杆膨胀机气液两相动力循环中有机工质的选取提供参照。

液力透平介质含气工况的数值分析

基于N-S方程和标准k-ε湍流模型,采用SIMPLE算法,选择Mixture多相流模型,应用CFD软件对比转速为41的单级单吸离心泵反转作透平在不同流量、不同含气率下进行数值计算,分析透平的外特性和内部流动规律.结果表明:介质含气工况下,透平内部的压力从进口到出口递减,叶片背面压力小于叶片工作面压力,各流道的压力分布不对称,压力梯度不均匀,透平进出口压差随着含气率的增大而减小,随着流量的增大而增大;在叶片工作面和背面存在较大的漩涡区域,含气率和流量分别增大时,气液混合流体相对速度变大,叶轮中的流动有所改善;气体的体积分数从蜗壳进口到叶轮出口逐渐变大,气体在叶轮中分布不均匀,各流道的气体分布不对称,叶片工作面含气率小于叶片背面.

考虑气体压缩性的液力透平内气液两相流场分析

为研究在气液两相条件下液力透平内部的流动规律,选择比转速为55.7的单级单吸离心泵反转作液力透平（Pumps as Turbines,PAT）,在考虑气体可压缩的基础上对该模型在不同流量、不同含气率下进行数值计算。分析含气率对液力透平外特性和液力透平各过流部件内流场的影响规律,总结不同工况下液力透平内气液两相流动规律。研究发现：随着含气率的增大,液力透平的效率和功率逐渐减小、扬程逐渐增加,气体的存在对液力透平效率影响较大;液力透平叶片进口有明显的旋涡,随着流量和含气率的增大,混合介质的相对速度均增加;含气率从液力透平进口到出口逐渐增大,叶片背面的含气率要比工作面大,过流部件内的气体分布不对称,随着含气率的变大,气体分布的均匀性变差。

基于透平正向设计模式的液力透平数值仿真研究

为进行液力透平正向设计模式的成熟化应用探索,该文以某一型号两级液力透平参数为设计目标,利用国内自主研发的TurboTides软件进行透平正向设计及数值仿真。以该透平为对象,分别利用TurboTides与ANSYS CFX平台在不同流量工况下对透平内部流动进行数值计算,以初步验证国内自主研发平台在液力透平正向设计和CFD数值计算上的可靠性,针对多级液力透平内部气液两相流动进行了初步研究分析。结果表明:在主要运行工况下和误差允许范围内,TurboTides单流道周期性网格计算的精确性不亚于CFX的全流道计算结果,且其计算更加节省计算资源和时间,在工程设计中采用TurboTides进行液力透平设计及计算有较大优势。同时初步推测,该两级液力透平靠近出口工作级的低压区易发生工质汽化导致气液两相流动。多级液力透平内部低压区的工质汽化有可能是其气液两相流动发生的主要原因之一。

基于气液两相的导叶对液力透平内部流动规律的影响

为了研究气液两相条件下导叶对液力透平内部流动特性的影响,现选取比转速为55.7的离心泵反转作为液力透平,并在液力透平叶轮进口添加一组负曲率导叶,设计出含导叶的水力模型,研究含气工况下导叶对液力透平性能的影响.研究发现:添加导叶前蜗壳和叶轮流道内压力分布和气相分布不均匀,且含气率越高均匀性越差,过流部件内流动较为紊乱,蜗壳和叶轮流道内出现了旋涡;添加导叶后,在较高含气率工况下叶轮流道内压力分布相对均匀且混合介质的流动情况得到改善,水力损失减少;添加导叶后透平最优效率点的值要高于未添加导叶的最优效率点的值,但随着含气率的提高,添加导叶的液力透平效率比未添加导叶的透平效率下降快.

大带液量透平膨胀机的研发过程

本文简要介绍了带液透平膨胀机的国际状况和国内研发背景,详细叙述了由开封空分集团和西安交通大学联合研发的大型空气分离设备中的中高压带液透平膨胀机的研发过程。

含气率对液力透平影响的非定常分析

为了研究含气率对液力透平内部压力的影响,以比转速为84.5的单级单吸离心泵反转作液力透平并对其内部流场进行CFD瞬态数值模拟,获得了气体在液力透平内的分布规律以及气液两相介质下透平内部流场的压力脉动变化规律。结果表明:从蜗壳进口到叶轮出口,含气率逐渐增加,含气率等于0.2时蜗壳出口、叶轮进口气体的尾迹效应明显,分布不够均匀。叶轮出口有气体聚集现象,气体体积分数越高,聚集现象越明显。进口含气率对透平蜗壳、叶轮内各点的相对压力分布影响明显,各点的相对压力随着透平进口含气率增加而降低。含气率小于0.05时其对透平内各监测点的压力脉动主频幅值影响不大,含气率大于0.05后其对液力透平内各监测点的压力脉动主频幅值有影响,含气率越高,压力脉动主频幅值越小。不同含气率下液力透平蜗壳周向、径向以及叶轮内的压力脉动主频均等于叶轮叶片的转动频率。