汽轮机叶片表面粗糙度对自发凝结级性能影响的数值研究

基于ANSYS CFX软件,分别采用单级和多级模型,研究了某1 000 MW火电汽轮机叶片表面粗糙度对自发凝结级级性能和叶栅通道内蒸汽自发凝结过程的影响。在所有计算中,忽略水滴沉积在叶片表面形成水膜的影响。计算结果表明：设计工况下,叶片表面的粗糙度将使级效率降低,且粗糙度越大,级效率下降数值也越大;静叶表面粗糙度对级效率的影响大于动叶表面粗糙度对级效率的影响;无论是静叶还是动叶,吸力面上粗糙度使级效率下降的数值都大约是压力面上粗糙度使级效率下降数值的4～5倍;粗糙度只影响其所在叶栅内的气动损失,而对上游和下游叶栅内气动损失影响很小;此外,叶片表面的粗糙度还将降低蒸汽在叶栅内的自发成核凝结程度,从而降低因自发凝结形成的水分。

膨胀率对湿蒸汽自发凝结流动影响的数值分析

结合液滴成核、生长理论,在无滑移假设下,导出了描述存在自发凝结湿蒸汽两相流动的方程组,对喷管中的湿蒸汽自发凝结不平衡稳定两相流动进行了数值模拟,得到了沿喷管轴向蒸汽两相参数的分布。分析了相同进口蒸汽参数和喷管形状下,膨胀率对蒸汽压力、过冷度、水滴半径、蒸汽湿度沿轴向分布和成核率大小的影响。汽轮机内湿汽损失的大小与蒸汽过冷度、水滴半径、湿度大小和由于凝结产生的“压力冲波”剧烈程度等因素有关,膨胀率是影响这些因素的主要参数。通过选择合适的膨胀率,对通流部分进行优化设计,控制蒸汽凝结的成核过程,可以预期减小级的湿汽损失。

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。

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。

叶栅形状变化对自发凝结影响的数值研究

对汽轮机叶栅中的自发凝结两相流动进行了数值模拟,气相采用N-S方程,液相凝结过程采用积分方法求解构造的多阶参数。计算结果显示,与过热蒸汽流动相比,湿蒸汽流动会在叶栅吸力面产生明显的边界层分离现象,所产生的损失不应被忽略。液相参数分布对叶型吸力面型线敏感。型线变化直接影响成核区分布,并通过影响尾迹强度决定下游主流的不平衡状态。分析了叶型变化对成核过程、边界层分离和尾迹涡强度的影响。通过数值研究,提供了减少因凝结产生的各种损失、设计高效湿蒸汽级的方法。

三维湿蒸汽自发凝结流动的数值模拟

采用完全欧拉坐标系下的数值模型描述湿蒸汽两相自发凝结流动过程,对某汽轮机低压部分三维静叶栅中内复杂的自发凝结流动进行了模拟和分析。与忽略自发凝结的计算结果相比,叶片表面的压力分布有所不同,吸力面侧尤为明显;自发凝结的发生引起气流角的变化,直接导致作功能力的变化;由于流动参数沿径向分布不均,自发凝结引起的湿度沿径向分布也明显不同;计算结果同时显示边界层对自发凝结有很大的影响。

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。

氮气在缩放喷管中非平衡自发凝结的数值研究

针对氮气在收缩型喷管中自发凝结的两相流动,采用经典成核理论来计算气液两相间的质量传递,选用Standard Redlich Kwong气体状态方程,忽略了气液相之间的速度滑移,利用商业软件CFX中的非平衡凝结模型进行了二维数值模拟。通过对成核率的量级、压力和带液量变化趋势及开始凝结的位置等模拟结果的分析,验证了模型和数值计算的有效性。进一步的数值模拟结果表明:相比于无凝结的绝热膨胀过程,相变释放潜热及气液之间的导热会加热气体,使得气流压力升高、马赫数降低。平衡凝结模型及非平衡凝结模型的对比显示,非平衡数值模型能够更好地揭示低温下氮气自发凝结的两相膨胀过程。

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。

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。

单组分气体自发凝结成核率模型修正

单组分气体自发凝结成核率预测模型中,内部一致经典成核理论(ICCT)因其较好的准确度得到了较为广泛的关注,但该模型仍存在未考虑真实气体效应及液滴曲率半径对表面张力影响的缺点。鉴于此,从两方面对ICCT模型进行了改进与修正,并与水、重水、醇类(正丙醇、正丁醇)、烃类(正庚烷、正辛烷)等成核率实验数据进行对比,以验证模型的准确性。研究结果表明:同时考虑真实气体效应及液滴曲率半径对表面张力影响时,水及重水修正模型计算结果比ICCT模型更好,但醇类、烃类等气体计算结果反而不如ICCT模型,预测效果较差,认为产生此现象的原因是Benson&Shuttleworth(BS)表面张力模型的不准确性;仅考虑真实气体效应的修正模型对各类介质的计算结果均取得了比ICCT模型更好的预测结果,推荐在成核率计算时使用此模型。

跨声速流自发凝结水滴的测量

应用基于多波长消光法原理发展的光学探针，测量了跨声速风洞中不同马赫数湿空气流自发凝结形成的水滴尺寸及浓度。

改进的Dillmann-Meier自发凝结模型探讨

考虑单分子聚团间相互作用下,Dillmann-Meier模型冷凝成核率结果较为准确,然而该模型运算量较大,不能适应于含有凝结现象的流动过程分析中。文中在Dillmann-Meier模型基础上,给出了改进后的模型,将不同理论用于计算水和n-C9的成核率结果与所有理论模型和实验结果进行比较,表明改进后的MDM模型精度接近Dillmann-Meier模型但运算更快捷。通过对尺寸校正函数研究了不同温度、过饱和度对微观表面张力的影响,分析了造成不同理论计算成核率存在差别的主要原因。

核电汽轮机高压级内非定常流动对自发凝结的影响

为研究核电汽轮机高压级内非定常流动对湿蒸汽凝结流动液滴直径、压力以及湿汽损失等参数分布的影响,采用湿蒸汽非平衡凝结相变模型,对定常与非定常流动状态下湿蒸汽自发凝结流动进行三维数值分析。结果表明:非定常凝结流动趋于稳定时,各项参数的分布呈现周期性变化规律。非定常流动的动静干涉现象导致周向流场具有非均匀性,湿蒸汽级内的轴端功率下降0.266%。非定常流动过程中的静叶尾迹现象致使下游动叶通道内自发凝结的液滴直径减小。非定常凝结流动的压力位势作用使得动叶出口平均压力提高。非定常流动引起湿蒸汽凝结的热力学损失与制动损失分别升高62.27%和1.88%,疏水损失降低0.233%。

音速喷嘴内水蒸气自发凝结流动自激振荡和分歧现象

气体在喷嘴中流动伴有很大的温降,会使其中的水蒸气发生凝结,并对其计量产生影响.针对音速喷嘴中过热水蒸气自发凝结流动产生的非稳态自激振荡和流动分歧现象,建立了考虑黏性的水蒸气自发凝结数值模型;根据凝结诱导的气动激波的振荡幅度将自激振荡分为3种不同的模式,其中模式Ⅲ的压力波动会波及喉部上方,且会出现非对称流动分歧现象,而模式Ⅰ中气动激波仅在平衡位置附近小幅度振荡;最后研究了自激振荡对喷嘴的质量流量的影响,并给出了相应的修正系数,最小值为0.988,需要加以重视.

低温透平膨胀机内非平衡自发凝结两相流动的数值研究

针对低温透平膨胀机内复杂自发凝结三元两相流动问题,基于非等温修正成核模型及Gyarmathy液滴生长模型,采用非平衡凝结数学模型,准确预测了气体快速膨胀中凝结成核和液滴生长的过程,基于数值模拟结果,研究了进口过热度和旋转作用对工作轮流道内自发凝结过程的影响,并分析了流道内液滴数目密度、液滴直径及带液量的分布规律。模拟结果表明:当进口过热度不够低时,快速成核发生在工作轮内导流段并发展缓慢,致使气体始终保持在较高的过冷度状态且成核区域较大;非平衡自发凝结与二次涡流的相互作用产生的逆温梯度会带来附加热力学损失,同时增大的逆压梯度会造成更强的边界层分离,从而引起附加流动损失;对于径-轴式工作轮,在二次涡流区域、吸力面壁面附近及尾迹涡流区域内容易发生液滴的聚集,这很容易引起二次成核并形成大尺寸二次液滴,进而带来附加机械损失。

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。

摩擦阻力对水蒸气超音速流动自发凝结的影响

建立了一维有摩擦损失条件下的喷管内水蒸气超音速流动自发凝结数学模型,对水蒸气在喷管内的超音速流动自发凝结过程进行了数值计算,结果表明,模拟结果与相关文献实验结果基本一致.利用上述数值模型系统研究了摩擦阻力对水蒸气超音速流动自发凝结的影响,结果发现摩擦阻力的大小对喷管内水蒸气超音速流动自发凝结参数有着直接影响,在喷管设计过程中,准确考虑流动阻力的影响对于保证喷管的工作性能是重要的.

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。

湿蒸汽两相凝结流动中水滴生长模型研究

为了准确描述湿蒸汽两相流中水滴生长过程,以提高数值模拟的精度和可信度,基于传热传质平衡耦合求解方法提出一种水滴生长模型。将建立的模型与目前湿蒸汽两相流计算中广泛使用的几种水滴生长模型进行了对比分析,结果显示在整个克努森数Kn变化范围内,该模型表现良好,明显优于其他模型,特别是在过渡区内具有很高的精确性。同时为了揭示不同水滴生长模型对两相参数的影响,采用各水滴生长模型对一维拉瓦尔Laval喷管中存在的自发凝结的湿蒸汽流动进行数值模拟。结果表明,不同水滴生长率模型对液相成核率、水滴数、水滴半径的影响非常明显,但对蒸汽湿度影响较小。