Laval喷管内蒸汽凝结流动的数值研究

为了研究缩放喷管中湿蒸汽的自发凝结流动,对某Laval喷管中的几何参数及实验工况进行喷管中湿蒸汽凝结两相流动的三维数值模拟。通过以数值模拟结果结合部分工况的压力实验数据进行对比,讨论了喷管中蒸汽自发凝结流动的物理现象。     

汽轮机末级湿蒸汽凝结流动模型差异性研究

以汽轮机末级叶片为研究对象,采用计算流体力学方法对单流道几何模型进行数值计算,研究了湿蒸汽平衡与非平衡凝结流动模型之间的特性差异,并基于非平衡凝结探讨表面张力修正系数(NBTF)在定常分析中对湿蒸汽参数的影响。结果表明：非平衡凝结模型主要影响液滴数目及颗粒直径,速度场分布与平衡凝结模型有较大差异;基于非平衡凝结模型对表面张力进行修正的模型会降低级内热力学损失,总-静效率比未修正表面张力的原型增加0.16%,相较平衡凝结模型降低3.26%;在主频下,修正模型动叶所受轴向激励力相较于平衡凝结模型减少52.76%,切向激励力减少57.12%,但轴向力与切向力载荷均方根值分别增加1.59%和0.21%。     

叶栅内湿蒸汽自发凝结流动的数值计算方法研究

在双Euler型、有限体积框架下发展了湿蒸汽平衡/非平衡相变凝结流动的数值方法。以Bakhtar试验叶栅为研究对象,结合试验数据,分析比较了两种计算方法下该叶栅内多工况的自发凝结流动。结果表明,双Euler型的非平衡相变计算方法能较为准确地模拟Bakhtar试验叶栅内在亚音速、音速、跨音速等多种流态下的自发凝结流动,而双Euler型平衡相变方法计算的湿度结果是一个伪结果。     

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%。     

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．     

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。     

变马赫数喷管中湿蒸汽流动数值模拟

Fluent Wet-Steam Model是基于经典成核理论,在全欧拉坐标系下描述自发凝结过程的。本文基于该模型对变马赫数槽式喷管内伴随自发凝结的水蒸汽的跨音速流动过程进行了数值模拟,研究水蒸汽在跨音速流动过程中的自发凝结、液滴生长、凝结冲波等现象以及背压变化对流场参数的影响。对蒸汽透平的通流部分设计提供参考,以及为湿蒸汽风洞设计提供参考。     

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。     

叶栅内凝结激波与气动激波干涉的数值研究

对自发凝结两相流动中凝结激波与气动激波之间的干涉进行了数值研究,气相采用N-S方程,液相凝结过程应用构造的多阶复合参数进行积分求解.模拟得到的数值纹影图显示了不同出口马赫数情况下汽轮机叶栅中过热蒸汽流动和自发凝结流动激波系的分布.结果表明:凝结激波会影响气动激波的强度和出口气流角,消弱气动激波在吸力面反射引起的边界层分离现象,增强尾迹的强度,并影响相关损失的产生.     

核电汽轮机高压缸级内凝结流动特性分析

为研究湿蒸汽在核电汽轮机高压缸内的流动特性和气动特性,对不同蒸汽状态和不同工况下湿蒸汽自发凝结流动进行三维数值分析。结果表明:过冷蒸汽自发凝结过程最缓慢,但其动压值最高。沿叶高方向,凝结首先发生在叶片上部,凝结发生的瞬间会引起湿度剧增。随着入口质量流量减小,级内湿蒸汽流动损失增加,汽轮机效率下降。在稳定负荷的前提下,随着蒸汽来流湿度增大,级内流场的气动性能变差,蒸汽的做功能力下降。     

冷却蒸汽进口总压对转子冷却效果影响的数值分析

在不同冷汽进口总压条件下对超超临界汽轮机中压第一级进行了数值模拟,考察了冷却通道以及主流道内的流动状况,并对动叶表面以及叶根表面的温度场进行了研究。研究结果表明,对应所给出的最大与最小进口总压,冷却蒸汽对动叶吸力面的影响范围相差约10%的相对叶高,而叶根表面的最大温度仅相差0.6K左右。冷汽进口总压越大,冷却效果越好,但是冷汽对主流的干扰越强,将引起流动效率下降,因此,最佳冷汽进口总压的选取要综合考虑冷却效果和流动效率。     

冷却蒸汽进口条件对转子冷却效果的影响

对给定总压与给定流量两种冷气进口边界条件下的中压第一级进行了数值模拟,结果表明不同的冷气进口边界条件对叶片表面温度分布、冷却蒸汽的流动情况、10%叶高流面上各气动参数分布的影响非常的小.据此得出,对于超超临界汽轮机蒸汽冷却技术的工程应用,冷却蒸汽的进口条件可以通过不同的方式进行控制,最终所达到的冷却效果以及冷气对流动的影响是一致的.     

汽轮机湿蒸汽两相凝结流动数值研究的现状与进展

着重针对汽轮机中存在自发凝结的湿蒸汽两相流动 ,论述了湿蒸汽两相流动数值研究进展现状及其待解决的问题 ,以期对此方面的研究及其工程应用起到促进作用。文中结合作者目前进行的有关湿蒸汽两相凝结流动数值研究 ,对湿蒸汽透平级中两相流动的数值模型、求解方法等关键问题进行了阐述和探讨 ,给出了作者对一维喷管、二维喷管以及叶栅进行数值模拟的部分算例结果 ,以说明所发展的数值模拟方法的可行性和准确程度。     

大功率汽轮机湿蒸汽级两相凝结流动的数值模拟与分析

采用真实气体平衡态计算模式和非平衡态自发凝结两相流动计算模式两种不同的计算方法对某大功率汽轮机低压末两级内三维湿蒸汽两相凝结流动进行了模拟和分析。计算表明非平衡效应引起湿蒸汽级组内流量、焓降在各级之间的分配、叶栅出口气流角、各级反动度都有发生变化。     

喷管内水蒸气凝结相变的数值模拟研究

引入水蒸气真实气体物性,考虑相变、速度滑移等影响因素,建立了超音速水蒸气非平衡凝结流动数值模型,通过与实验数据对比,验证了模型的正确性。随后对喷管内水蒸气超音速流动进行了数值模拟研究,清晰的捕捉到了"X型"凝结激波,并对其形态形成原因进行了分析。通过与理想蒸汽模拟对比,结果表明:水蒸气的非平衡凝结会形成凝结激波现象,导致流场中压力和温度突然升高,速度骤然降低;随后对非平衡凝结现象发生后,液滴半径、液滴数和湿度的增长趋势进行了计算分析。发现在喉部下游0.1 m处,液滴数由0突跃至1014数量级,表明水蒸气发生非平衡凝结,极短时间内产生了大量凝结核,液滴半径和湿度也在短时间内迅速增加。     

水蒸气跨音速流动中非平衡现象的数值模拟

研究了水蒸气跨音速流动过程中的非平衡相变及凝结冲波现象,揭示了气动激波与非平衡凝结流动之间相互作用的非定常流动规律。采用欧拉形式的控制方程求解两相凝结流动,建立了二维可压缩守恒型计算模型对水蒸气跨音速非平衡流动进行了数值模拟．捕获到了凝结冲波现象,揭示了凝结冲波的非平衡热力学机理,并探讨了尺度效应对两相非平衡流动的影响。研究了凝结冲波与气动激波之间的不同热力学特性和形成机理,并探讨了气动激波与非平衡凝结流动之间相互作用的非定常流动规律。     

核电汽轮机低压缸中平衡和非平衡凝结流动的对比研究

采用IF97水蒸汽实际气体性质进行计算,对某核电机组低压缸中的平衡和非平衡凝结流动进行研究,对比分析两者的差异和影响。结果表明:与平衡凝结流动相比,非平衡凝结流动中低压缸叶片表面压力分布、湿度分布、反动度、进出口气流角、各透平级焓降以及低压缸内热力过程线均有明显变化。按照非平衡凝结流动规律设计湿蒸汽透平是提高核电汽轮机效率的一个途径。     

汽轮机中湿蒸汽两相凝结流动研究

在汽轮机湿蒸汽透平级中,湿蒸汽两相凝结流动现象的出现降低了透平级的流动效率,并且造成了透平叶片的水蚀损坏.本文针对汽轮机中的自发凝结流动,介绍了湿蒸汽两相流动数值研究发展的现状,以及西安交通大学TurboAero研究组在此方面的研究情况,以期对我国湿蒸汽汽轮机的设计以及湿蒸汽两相凝结理论的工程应用起到推动作用.     

燃机压气机启动工况影响因素数值模拟研究

针对燃气轮机启动阶段压气机旋转失速及喘振问题突出的现象,对某燃气轮机压气机部件的启动过程进行了数值模拟,并比较了不同升转速率及进口可调导叶角度的升转过程中,速度云图、沿叶高总压分布等相关参数。模拟结果显示：不同的升转速率对于叶高较低位置流场的影响不大,但是在0.9叶高处会存在明显差异,2 r/s²升转速率下,动叶尾缘流动分离较弱,4 r/s²升转速率下,低速区基本占据流道空间;动叶叶片尖端的流动分离现象在进口可调导叶逆时针旋转5°时,较其他工况得到明显抑制;进口可调导叶角度的变化带来流场改变的同时,在叶顶间隙会出现一个沿着压力侧的高速区。     

T型圆管内蒸汽直接接触凝结数值模拟

选用流体体积分数两相流模型和大涡模拟湍流模型,并引入基于热平衡原理的凝结模型——双阻力模型的自定义函数(user defined function,UDF),在FLUENT平台上对T型圆管内低速蒸汽在缓慢流动冷水中的直接接触凝结进行了数值模拟。结果表明,该工况下的蒸汽直接接触凝结为典型的间歇(Chugging)凝结且凝结主要发生在界面附近很小的区域,同时蒸汽直接接触凝结导致压力瞬间急剧降低从而发生水锤现象。