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．     

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%。     

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。     

液滴表面张力修正系数与蒸汽膨胀速率和进口参数的相关性研究

蒸汽自发凝结过程具有明显的非平衡特性,对凝结过程的预测存在困难。基于非平衡凝结模型,采用表面张力修正系数来修正液滴表面张力,并对Laval喷管及平面叶栅内蒸汽自发凝结流动进行多工况数值模拟。分析了表面张力修正系数对蒸汽凝结流动模拟精度的影响,着重讨论表面张力修正系数的最佳取值与蒸汽膨胀速率、进口参数的相关性,并研究其随进口参数的变化规律。结果表明:相同工况下,表面张力修正系数最佳取值对蒸汽膨胀速率变化不敏感,与进口总温相关性不显著,而与进口总压呈显著正相关;基于数值计算结果,通过拟合出的表面张力修正系数最佳取值与进口总压的三次关系曲线,可在进口总压为1.5×10~4～9.8×10~4 Pa范围内确定表面张力修正系数最佳取值范围,为汽轮机低压级湿蒸汽流动数值模拟提供依据。     

汽轮机变工况下末两级内的非平衡凝结流动特性研究

汽轮机级内湿蒸汽凝结流产生的水滴会降低汽轮机做功功率,同时对汽轮机叶片带来潜在威胁。为研究不同负荷下汽轮机湿蒸汽内的非平衡凝结流动特性,采用非平衡凝结流动模型对汽轮机末两级叶片进行数值模拟计算。结果表明：不同负荷下,过冷度最大值均在次末级静叶,最大值为20K,然后逐级降低至0K;同一负荷下,汽轮机湿蒸汽级内的湿度大小逐渐增加,且末级动叶20%叶高处的湿度最大,最大值为9.5%;同一负荷下,湿蒸汽的成核率在次末级的静叶处达到最大值,且3种不同负荷下成核率最大值分别是50/（m³·s）、45/（m³·s）、13/（m³·s）;凝结水滴的直径较小,在0～1μm之间。这对汽轮机通流部分设计和改造提供了理论参考。     

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。     

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。     

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。     

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。     

小流量工况下汽轮机末级的湿蒸汽凝结研究

在火电机组深度调峰过程中,汽轮机常工作在小流量工况,低压缸末级内湿蒸汽的凝结及分布规律也非常复杂.将两相流体模型和经修正的均质成核模型及液滴生长模型相结合,对小流量工况下末级湿蒸汽凝结规律进行研究.结果表明:湿蒸汽成核率的分布受压力场的影响较大,且与压力场的分布趋势相近.不同截面液滴数及粒径的分布受到涡的影响也较为突出...     

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。     

湿蒸汽两相流动的非定常数值模拟

应用两相均质混合模型、湿蒸汽平衡相变模型以及双时间步长法,对某超临界汽轮机末级叶栅流场进行了全三维非定常的数值计算.计算结果表明:湿蒸汽流动与流场内的非定常特性密切相关,其定常计算结果与非定常的时均结果不相一致.由于动静叶干涉的影响,动叶栅出口由非定常计算得到的湿度值小于定常计算得到的结果.     

核电汽轮机中的湿蒸汽流动研究

对某核电汽轮机低压缸通流部分作三维数值模拟,分析湿蒸汽流动的特点及其影响,在此基础上结合湿汽损失的形成机理,对其各组成部分分别进行模化和估算,结果表明湿蒸汽级内湿汽损失的大小及分布与传统的Baumann准则存在较大差异,后者可能低估了由非平衡凝结引起的热力学损失;通过计算水滴运动轨迹研究末级空心静叶表面的水分沉积,分析去湿槽抽吸水膜的性能及其影响因素,相应的试验研究则表明抽吸性能受到当地汽流马赫数、抽吸压差以及缝隙宽度等因素的综合作用,此外水膜从叶片表面转向进入去湿槽时的汽化对抽吸性能有较大的负面影响,因此去湿槽的设计主要取决于其上游的水膜流动状况。     

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.     

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。     

某汽轮机中的湿蒸汽流动研究

按照平衡凝结流动设计方法设计的低压汽轮机实际按照非平衡凝结流动规律运行,因此会带来额外的损失。为了评估两种凝结方式的差异,对某汽轮机低压缸内的平衡凝结和非平衡凝结流动进行了对比研究。结果表明：与平衡凝结流动相比,非平衡凝结流动中汽轮机低压缸各级透平焓降、反动度、湿度分布以及各叶栅表面压力分布、叶栅进口攻角、出口气流角、末级出口余速及低压缸内热力过程线均有明显差异。按照非平衡凝结流动规律设计低压汽轮机是进一步提高其效率的一个途径。     

调节级局部进汽对下游动叶气动负荷影响的数值研究

基于舰船用主汽轮机多工况、变转速、变参数的特点,应用商业软件CFX对具有3组喷嘴的复速级叶栅进行全周数值模拟,着重分析了调节级局部进汽对下游动叶气动负荷的影响,数值模拟结果表明,各个喷嘴组边界壁面的存在对流动具有较大影响,同时喷嘴叶栅Ⅰ的叶片型线的不同导致边界畸变对流动的影响更敏感。动叶叶栅的压力分布特点表明了尾迹低速区和主流低压区是形成动叶流动参数不稳定的主要因素,从而形成了叶栅内特有的非定常流动现象。     

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。     

弯掠动叶对压气机级静压系数的影响

对某多级高亚音轴流压气机的第七级原型级和弯掠动叶改型级进行了非定常数值模拟,数值研究结果表明:流动的非定常性对动叶尾缘和下游静叶前缘位置处的气动参数影响较为强烈,其中对静叶的影响要比对动叶的影响大.弯掠动叶减轻了非定常效应对动叶根部和顶部的影响,同时也减小了对下游静叶气动参数的非定常扰动.     

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。