基于双流体模型的湿蒸气凝结流动三维数值模拟

建立湿蒸气凝结流动的双流体模型,考虑了湿蒸气汽液两相流动中相间速度滑移、耦合以及湍流扩散作用的影响。针对蒸汽透平叶栅中流动的湍流特性,在单相湍流计算中数值模拟精度相对良好的两方程SSTk-ω湍流模型基础上,参照颗粒湍能输运方程理论,推导建立了湿蒸气两相流动SSTk-ω-kp湍流模型,模型中引入了液相粘性、导热及扩散系数等拟流体概念。对一直列叶栅中存在自发凝结的湿蒸气流动进行了三维数值模拟,结果表明:与中心截面相比,端壁附近汽流首先出现大量凝结核,并较早恢复到平衡状态,由于涡系结构的存在使得沿叶高汽液两相叶栅出口马赫数之间存在一定差异。本文建立的模型提高了湿蒸气凝结流动三维数值模拟的精度,更好地揭示叶栅中凝结流动的相间作用。     

平面叶栅中湿蒸汽两相凝结与流动问题的数值分析

汽轮机末级中存在大量汽液两相混合流动现象。通过对湿蒸汽流动过程的分析,以经典成核理论为基础,对平面叶栅中的湿蒸汽流动进行了模拟。计算结果显示了蒸汽凝结主要发生的区域及在整个流场中湿蒸汽的流动特征。通过对流场的分析及与实验数据的对比,表明所用计算模型及方法可以正确模拟湿蒸汽流动过程,为优化设计和减小冲击损害提供依据。     

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．     

导流板结构对扇形叶栅试验件周期性影响的模拟研究

为了指导导叶-静叶结构的扇形叶栅试验,设计周期性好的叶栅试验件,本研究采用数值模拟的方法,研究试验件两侧导流挡板结构尺寸对扇形叶栅周期性的影响。通过对比改型试验件模型与原始试验件模型中径处导叶/静叶出口气流角、马赫数的周向分布规律和S1流面流场结构,分析两侧导流挡板结构对试验件周期性的影响,初步确定改型模型3为试验件模型。在此基础上详细分析了模型3的导叶/静叶流场结构。研究结果表明:本研究提出的挡板截断模型能够较好的改善扇形叶栅试验件的周期性,其中模型3将可测流道从4个增加到7个,可满足扇形叶栅风洞试验对试验件周期性的要求。     

表面粗糙度对压气机叶栅流动特性的影响

在低速平面叶栅风洞中,实验研究了表面粗糙度对高负荷压气机流动特性的影响,并对叶片吸力面不同位置布置的表面粗糙度进行了对比分析。通过墨迹流场显示法对叶栅壁面流场进行了测量,利用五孔气动探针对叶栅出口截面进行了扫掠,给出了不同方案出口截面马赫数、二次流速度矢量的分布以及叶栅的流场特征,以分析和探讨表面粗糙度对叶栅流动特性的影响。结果表明,吸力面局部表面粗糙度的增加使得角区分离范围减小;且随着粗糙带向尾缘移动,角区分离范围的减小程度也逐渐增加。     

两套后部加载叶栅的对比实验研究

为了研究叶片前缘直径和叶片载荷分布对后部加载叶栅气动性能的影响,对两套具有不同前缘直径和载荷分布的后部加载叶栅进行了对比吹风试验。详细测量了在0°、+20°、-20°冲角下的流场参数和表面静压。实验结果表明,通过选择适当的前后缘直径及合理匹配出口逆压段长度与逆压梯度值,可以有效地减少叶栅的二次流损失,提高叶栅的变冲角适应性,使出口流场气动参数沿叶高的分布更加均匀化。     

分流叶栅流场的数值模拟实验

MC-LB内点差分方程是新近发展起来的一种对初值问题无条件稳定的方程。本文利用MC-LB格式,通过求解NS方程,对改善汽轮机高压级喷嘴叶栅气动性能有积极作用的分流叶栅流场进行了数值模拟,得到了该流场的速度分布、等压线分布和等马赫线分布,并将计算得到的型面相对速度与实验数据进行了对比,结果是令人满意的。     

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。     

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。     

低速条件下展弦比对弯叶片扩压静叶栅流场性能的影响

为观察弯叶片在扩压叶栅中的适用条件,在保持其它条件不变的情况下,对一直列叶栅三种展弦比条件下的弯叶片流场进行了数值模拟。结果表明叶栅展弦比的大小对弯叶片在扩压叶栅中的作用影响较大,若展弦比增加,弯叶片改善叶栅性能的作用将增强。大展弦比叶栅中强弯叶片明显提高了吸力面角区密流系数的大小,从而改善了近端区的流场性能。在扩压叶栅中弯叶片可均化流场参数沿径向的分布,而在大展弦比叶栅中流场参数的径向分布差异较大,这应该是弯叶片在大展弦比叶栅中作用明显的主要原因。     

分流叶栅及串列叶栅的流场计算

本文用流函数有限差分松驰法求解了分流叶栅及串列叶栅的流场。所求出的轴流式叶栅叶型表面速度分布与文献[1]中试验数据十分相符;同时计算了多分流叶栅流场,计算值与[2]中试验值吻合很好;还对[3]中的串列叶栅流场进行了计算,计算与试验结果也吻合较好;按本方法计算数据优化设计的含分流叶栅的离心式风机的性能较好。     

叶片弯曲对扩压叶栅出口流场的影响

通过由常规直叶片、正弯曲叶片、反弯曲叶片组成的三种矩型扩压叶栅在低速风洞上的实验研究,测得了叶栅出口流场、研究了零冲角下常直叶栅、正弯曲叶栅、反弯曲叶栅对出口总压损失分布情况和二次流速度矢量的影响,讲座了叶片弯曲对扩压叶栅出口流场的改善作用。     

一种高负荷扩压叶栅流动控制技术的实验研究

为了研究缝隙射流控制技术改善高负荷扩压叶栅气动性能的流体动力学机理,本文针对有/无缝隙结构的高负荷扩压叶栅流动损失与内部流场参数开展实验研究,获得了叶栅流场分布数据、近壁流场显示图谱以及叶栅出口总性能参数。研究结果表明,经由叶片压力面与吸力面压差驱动的缝隙射流能够增加叶片近壁附面层低能流体的动量、动能及湍流强度,并将局部迁移或积聚的附面层低能流体及时带入主流,减小低能体在局部区域的掺混撞击与粘性摩擦作用,抑制了栅后低能流体的过度聚集,从而有效提高大折转角扩压叶栅的气动性能。缝隙射流控制技术与弯曲叶片技术的有机结合,为高效紧凑的发动机压缩系统提供了新的设计自由度。     

平面叶栅中两类叶型探针影响特性的对比研究

采用平面叶栅吹风试验方法,针对压气机叶栅中两类叶型探针（A类、B类）的影响特性进行对比研究,在整理分析原型叶栅变工况流动特性的基础上,从叶片表面等熵马赫数、总体性能参数与栅后尾迹等三个层面详细考察了两类叶型探针的影响程度及变化规律。研究结果表明：对于叶栅通道内没有激波的亚音流场环境,A类探针的综合影响程度略小于B类探针,而对于叶栅通道内会形成强激波的跨音流场环境,A类探针的综合影响程度要大于B类探针;A类探针对叶栅出口尾迹分布的扰动作用大于B类探针,预示在压气机多叶排环境下B类探针的工程适用性更好。     

后置挡板对环形叶栅出口流场的影响

为在环形叶栅低速风洞实验中模拟实际涡轮级静叶后径向压力梯度,在某型涡轮低压级静叶的下游流场设置了挡板,实验研究了挡板形式及设置位置对静叶出口流场的影响。实验结果表明,适当选择全环钻钆挡板不同半径处的钻孔率、钻孔直径与分布,可调节静叶后径向静压分布,采用外环或内环挡板,并将其分别置于静叶的近、中、远下游,可实现静叶栅的变焓降实验。     

具有叶顶间隙叶栅的拓扑与旋涡结构及其对损失的影响

详细测量了叶栅前、后和栅内诸横截面以及间隙中分面上的气流参数，对壁面（包括叶片表面和上、下端壁壁面）流场进行了墨迹显示。应用拓扑学原理分析了测量与显示结果，得出常规直叶栅和正、反弯叶栅壁面流场的拓扑结构及相应叶栅内流场的旋涡结构。通过这３种叶栅分析结果的对比，揭示了正弯叶片降低漏气损失的机理。     

矩形叶栅中叶片倾斜对二次流损失的影响

本文采用五孔束状测针和分布在叶栅上、下端壁及叶片表面的测压孔,对叶栅出口流场和上述表面上的静压分布进行了详细测量。实验结果证明:叶片的倾斜显著地改变了叶片表面尤其是吸力面上的静压分布,因而引起了叶栅中二次流损失的重新分布。     

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...     

叶轮机械内具有复合型叶栅流场的计算研究

以吴仲华教授提出的两类相对流面理论为基础，在任意回转和流面上，用流函数有限差分松地求解复合叶栅的流场。所求了的轴流工叶栅流场叶型表面速度分布与文献中试验结果吻合的很好，通过对含有单个分流叶片的离心工压气机叶栅流场进行了计算，确定出最佳的分流叶片位置。还对串列叶栅的流场进行了计算，计算结果与文献中试验数据吻合较满意，通过计算得到的结果与理论分析和试验得到的结论是一致的。     

导流板抽吸对扇形叶栅实验件流场的周期性影响

为保证导叶-静叶结构的扇形叶栅实验顺利开展,针对已有扇形叶栅实验件,设计了两种导流板抽吸方案:两侧导流板流道转接的位置设置抽吸缝和在前一方案的基础上增加左侧抽吸缝的抽吸量、同时不在右侧设抽吸缝。两种方案中都于导叶与静叶转接位置开设矩形抽吸缝,宽度均为2 mm。对不同方案的实验件流场进行数值模拟,通过对比分析导叶及静叶栅出口气动参数和流场结构,确定了能够大幅提高实验件流场分布周向均匀性的导流板抽吸和结构改进方案。研究表明:导流板结构改进和设置抽吸缝都可以在一定程度上改善流场的周期性;导流板抽吸缝开设在气流分离区,可减小分离强度范围,改善实验件整体周期性;第2种方案可大幅提高实验件流场分布的周向均匀性,使可测量流道数增加到7个。