叶栅通道内湿蒸汽非平衡凝结流动的数值模拟

过冷度是各种凝结现象产生、发展的直接驱动力,叶栅通道内湿蒸汽成核过程通常集中在喉部下游很窄的区域内,水滴数目和水滴半径分布则受到边界层和尾迹影响。针对叶栅通道内跨音速非平衡凝结流动参数分布陡峭、变化敏感的特点,采用具有较好激波捕获效果的高分辨率二阶TVD格式进行离散。利用时间推进法对控制方程进行求解,建立了凝结流动的数值解法,模拟与实验结果相吻合,验证了模型的准确性。研究了叶栅通道内非平衡凝结流动的基本物理现象,讨论了进口过冷度对凝结特性的影响,归纳了叶栅通道内压力、成核率、水滴数、水滴半径、蒸汽湿度的变化规律。研究表明:进口过冷度对非平衡凝结流动特性有重要影响。     

叶栅通道内湿蒸汽非平衡凝结流动的数值模拟

过冷度是各种凝结现象产生、发展的直接驱动力,叶栅通道内湿蒸汽成核过程通常集中在喉部下游很窄的区域内,水滴数目和水滴半径分布则受到边界层和尾迹影响。针对叶栅通道内跨音速非平衡凝结流动参数分布陡峭、变化敏感的特点,采用具有较好激波捕获效果的高分辨率二阶TVD格式进行离散。利用时间推进法对控制方程进行求解,建立了凝结流动的数值解法,模拟与实验结果相吻合,验证了模型的准确性。研究了叶栅通道内非平衡凝结流动的基本物理现象,讨论了进口过冷度对凝结特性的影响,归纳了叶栅通道内压力、成核率、水滴数、水滴半径、蒸汽湿度的变化规律。研究表明:进口过冷度对非平衡凝结流动特性有重要影响。     

汽轮机动叶栅顶部通道湿蒸汽超声速凝结流动特性

由于汽轮机内高速凝结流动的复杂性,目前还没有一个得到普遍公认的凝结成核模型,且现有数值模型通常忽略汽液相间滑移。针对叶栅通道内凝结参数分布陡峭、变化敏感的特点,采用既能准确描述可压缩气体跨声速流动又能捕捉参数突跃的双流体数值模型,对汽轮机动叶栅顶部通道内的凝结流动特性进行分析。揭示压比对湿蒸汽非平衡凝结特性的影响,归纳了叶片表面压力、成核率、湿度、水滴数的变化规律。研究表明：各工况压力面的压比计算值与实验数据吻合较好,但吸力面后半段存在一定误差;双流体数值模型适用于过热工况和入口过冷度较小的凝结工况,但当入口过冷度较大时,几乎无法捕捉到凝结激波导致的压力突跃;激波干涉和涡团掺混也会对水滴分布产生较大影响。     

汽轮机动叶栅顶部通道湿蒸汽超声速凝结流动特性

由于汽轮机内高速凝结流动的复杂性,目前还没有一个得到普遍公认的凝结成核模型,且现有数值模型通常忽略汽液相间滑移。针对叶栅通道内凝结参数分布陡峭、变化敏感的特点,采用既能准确描述可压缩气体跨声速流动又能捕捉参数突跃的双流体数值模型,对汽轮机动叶栅顶部通道内的凝结流动特性进行分析。揭示压比对湿蒸汽非平衡凝结特性的影响,归纳了叶片表面压力、成核率、湿度、水滴数的变化规律。研究表明:各工况压力面的压比计算值与实验数据吻合较好,但吸力面后半段存在一定误差;双流体数值模型适用于过热工况和入口过冷度较小的凝结工况,但当入口过冷度较大时,几乎无法捕捉到凝结激波导致的压力突跃;激波干涉和涡团掺混也会对水滴分布产生较大影响。     

水蒸气超音速流动中非平衡相变的温度特性

引入水蒸气非平衡相变的动力模型和水蒸气真实物性模型的基础上,建立了水蒸气超音速非平衡流动的守恒型数值计算模型,采用对激波捕捉具有高精度和高分辨率的Roe-FDS格式进行计算,数值求解了水蒸气超音速流动过程中的非平衡相变及凝结激波现象。着重研究了水蒸气超音速非平衡凝结相变的温度特性,归纳了水蒸气超音速非平衡流动的凝结特性随温度的变化规律,归纳了蒸汽温度变化对核化凝结、激波形态的影响规律。研究发现,入口温度对蒸汽超音速流动中的非平衡相变具有显著的影响,进口温度越低,非平衡核化凝结爆发的越早,产生的液滴粒径越大;随着进口温度的升高,非平衡凝结相变的起始点逐渐向喷管出口方向移动,蒸汽需要在缩放喷管中加速膨胀到较高马赫数下达到较高的过饱和度和过冷度时才能产生核化凝结,而成核率也相应较高。     

水蒸气超音速非平衡流动的变压凝结特性

对水蒸气超音速非平衡凝结流动进行了数值模拟,研究了水蒸气超音速流动过程中的非平衡相变及凝结激波现象,揭示了激波与核化凝结流动之间相互作用的非平衡流动规律。着重研究了水蒸气超音速非平衡凝结相变的变压凝结特性,归纳了压力对核化凝结、激波形态的影响规律,给出了进口蒸汽压力变化对蒸汽过饱和度、蒸汽核化率等凝结参数的作用规律。     

平衡相和非平衡相模型在超音速引射器流场计算中的对比研究

蒸汽引射器是热力系统中常用的动力装置。分别采用平衡相模型和非平衡相模型,对某超音速蒸汽引射器的流场进行了数值计算和对比分析。建立了描述引射器内蒸汽流动的NS方程组,并引入SST-kw湍流模型进行封闭。平衡相模型仅考虑蒸汽流动的湿度变化,非平衡相模型基于经典成核理论,考虑蒸汽的自发凝结。将两种模型与Moore的喷管实验结果进行了对比,随后分别对某型超音速引射器的流场进行了计算和分析。结果表明:由于湿蒸汽的过饱和特性,使得非平衡相模型的计算结果温度场略低于平衡相模型,引射系数计算值高于平衡相模型。     

前置式超声速旋流分离器设计与凝结特性分析

针对天然气在长距离管道输送过程中,所含水蒸汽杂质会凝结成液态水的问题,通过运用动力学原理与液滴成核生长理论,开发设计了一种全新的前置式超声速旋流脱水装置。利用CFD中的用户自定义接口建立了含湿天然气的凝结流动模型,数值分析了装置内部的马赫数、过冷度、液滴成核率、液滴半径和湿度等关键凝结参数的变化规律。结果表明:所建立的三维含湿天然气的凝结流动模型可以真实描述超声速旋流分离器中的流动变化规律,为以后装置的工业应用和下一步提高分离效率提供了理论参考。     

天然气超声速脱二氧化碳技术研究

进行了Laval喷管的结构设计。基于真实气体状态方程和湍流方程,结合凝结成核与液滴生长理论,建立了描述喷管内超声速气体凝结流动的数学模型,进行了CO_2-CH_4气体凝结流动规律研究。研究结果表明:在特定的入口温度与压力条件下可以实现CO_2气体的凝结与脱除,当气体发生凝结后,喷管内形成气、液两相流动,产生的亚微米级微小液滴可随气流运动至喷管出口;CO_2气体成核过程在时间和空间上表现出急剧性,凝结核心形成后,液滴生长过程可维持较长时间和距离,直至液滴到达喷管出口;由于凝结的发生和液滴生长过程释放了大量潜热,喷管内表现出明显的凝结冲波现象,压力下降减缓,温度出现回升。     

湿蒸汽沿注汽井井筒的压降和传热规律分析

在湿蒸汽热采过程中,精确地预测注蒸汽井井筒内蒸汽压力,温度,和干度等参数的变化,对整个生产过程都相当重要。本文根据传热和两相流动原理,建立了井筒注蒸汽的数学模型,把井筒热传递可合理地分解成井筒内稳态传热和地层内非稳态导热两部分,并选择B—B法求解摩阻压降,用Ramey方法计算井筒内湿蒸汽的传热量。     

水平管内纯饱和蒸汽强制对流冷凝局部换热特性

通过对水平管内饱和纯蒸汽强制对流冷凝换热的实验研究, 分析在管内两相流型为环状流-半环状与波状流时, 质量含汽率、蒸汽入口流速和压力对蒸汽冷凝换热的影响, 并得到了同时适用于这两种流型的计算局部冷凝传热系数的经验关联式。结果表明:局部冷凝传热系数在环状流-半环状流及波状流下均随质量含汽率和压力的降低而减小;在环状流-半环状流下, 随蒸汽入口流速的升高而增大, 在波状流下, 随蒸汽入口流速的增大而减小;实验拟合所得到的换热经验关联式与实验结果符合良好, 偏差在±20%以内。     

跨临界CO2快速膨胀过程中非平衡冷凝和闪蒸机理的数值研究

跨临界CO₂在高速膨胀时,压力和温度剧烈下降,会发生非平衡相变。其中在天然气超声速分离设备和超临界CO₂离心压缩机中CO₂会发生非平衡冷凝相变;在引射膨胀制冷系统中,跨临界CO₂在引射器主动喷嘴中发生非平衡闪蒸相变。为解决跨临界CO₂在膨胀过程中物性变化剧烈,非平衡相变模拟困难的问题,构建了新型非平衡相变CFD模型,以研究跨临界CO₂在超声速缩放喷嘴中的非平衡冷凝和非平衡闪蒸的相变过程和膨胀机理,模型耦合了温度驱动的蒸发-冷凝相变机制和压力驱动的空化-冷凝相变机制,并用文献中的试验结果验证了模型的准确性。研究结果表明,在冷凝相变过程中,由压力驱动的冷凝传质具有主要影响,压力驱动的冷凝传质主要存在于喷嘴喉部与内流区域,温度驱动的冷凝传质主要存在于喷嘴渐扩段壁面。冷凝传质速率随着进口压力的增加和进口温度的降低而增加,从而使冷凝的非平衡程度和喷嘴内的干度降低,喷嘴渐扩段内达到声速的位置也相应延后。在闪蒸相变过程中,由温度驱动的蒸发传质占据主导,蒸发相变主要发生在喷嘴喉部附近,空化相变主要发生在喷嘴渐扩段,两相CO₂在喷嘴的渐扩段达到声速。随着喷嘴进口压力的增加和进口温度的降低,闪蒸的非平衡程度增加,使喷嘴内的干度减小。本研究有助于厘清跨临界CO₂快速膨胀中的非平衡闪蒸和冷凝相变机理,并为跨临界CO₂膨胀设备的分析和优化设计提供参考。     

跨临界CO2快速膨胀过程中非平衡冷凝和闪蒸机理的数值研究

跨临界CO₂在高速膨胀时,压力和温度剧烈下降,会发生非平衡相变。其中在天然气超声速分离设备和超临界CO₂离心压缩机中CO₂会发生非平衡冷凝相变;在引射膨胀制冷系统中,跨临界CO₂在引射器主动喷嘴中发生非平衡闪蒸相变。为解决跨临界CO₂在膨胀过程中物性变化剧烈,非平衡相变模拟困难的问题,构建了新型非平衡相变CFD模型,以研究跨临界CO₂在超声速缩放喷嘴中的非平衡冷凝和非平衡闪蒸的相变过程和膨胀机理,模型耦合了温度驱动的蒸发-冷凝相变机制和压力驱动的空化-冷凝相变机制,并用文献中的试验结果验证了模型的准确性。研究结果表明,在冷凝相变过程中,由压力驱动的冷凝传质具有主要影响,压力驱动的冷凝传质主要存在于喷嘴喉部与内流区域,温度驱动的冷凝传质主要存在于喷嘴渐扩段壁面。冷凝传质速率随着进口压力的增加和进口温度的降低而增加,从而使冷凝的非平衡程度和喷嘴内的干度降低,喷嘴渐扩段内达到声速的位置也相应延后。在闪蒸相变过程中,由温度驱动的蒸发传质占据主导,蒸发相变主要发生在喷嘴喉部附近,空化相变主要发生在喷嘴渐扩段,两相CO₂在喷嘴的渐扩段达到声速。随着喷嘴进口压力的增加和进口温度的降低,闪蒸的非平衡程度增加,使喷嘴内的干度减小。本研究有助于厘清跨临界CO₂快速膨胀中的非平衡闪蒸和冷凝相变机理,并为跨临界CO₂膨胀设备的分析和优化设计提供参考。     

蒸汽喷射器混合室两相流动的数值模拟

应用适用于跨声速流动的湿蒸汽两相流模型对蒸汽喷射器内流体的流动进行了数值模拟研究。重点研究了蒸汽喷射器混合室内流体的流动过程,并比较了采用湿蒸汽模型和理想气体模型计算结果差异。研究结果表明,湿蒸汽模型中,蒸汽喷射器引射系数略高于理想气体模型的,混合室内喷嘴出口和引射蒸汽入口附近激波产生的局部高压明显小于理想气体模型的,工作蒸汽速度、温度的降低也要比理想气体模型的小。     

A new liquefaction method for natural gas by utilizing cold energy and separating power of swirl nozzle

A swirl nozzle with a central body was newly designed to make full use of the cold energy and separating power, and the coupling of swirling flow and condensation was realized based on a condensation model, a droplet surface tension model and a Reynolds stress model turbulence model. The flow and condensation characteristics of methane gas under supersonic swirling flow conditions were studied. The results show that the flow and condensation parameter distribution in the swirl nozzle are similar under varying swirling intensities, but the swirling performance improves with the increase in swirling intensity, and a tangential velocity is beneficial before the gas enters the nozzle. As the inlet temperature decreases or the inlet pressure increases, the liquefaction efficiency increases, and the gas condensation process can be promoted. With the advancement of the initial nucleation position and the increase in the droplet radius, the separation efficiency of the swirl nozzle increases.     

Numerical investigation of influence of non-condensable gas on steam jet condensation

The influence of non-condensable gas on the direct contact condensing behavior and heat transfer characteristics of steam jet in subcooled water is investigated by two-dimensional axisymmetric numerical model. Based on Euler-Euler two-fluid model in CFX, the steam condensation is calculated with thermal phase change model. The composition variation of steam-air mixture is realized using species transport equation for the gas phase. The gas mass flow at nozzle outlet is 300 kg/(m²·s), and non-condensable gas is within 15%. The results show that non-condensable gas obstructs the direct contact between steam and subcooled water, forming the thermal resistance and deteriorating the condensation heat transfer. The thermal resistance and the length of jet region increase with the increase of non-condensable gas. While the condensation rate decreases with the increase of non-condensable gas. The presence of non-condensable gas prevents vapor from being condensed completely, and the remaining vapor is independent of the original non-condensable gas.