《自发凝结湿蒸汽两相流动数值模拟》由会员分享，可在线阅读，更多相关《自发凝结湿蒸汽两相流动数值模拟（51页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、华北电力大学（保定） 硕士学位论文 自发凝结湿蒸汽两相流动数值模拟 姓名：王智 申请学位级别：硕士 专业：热能工程 指导教师：韩中合 20031201 华北电力大学硕士学位论文 1 中文摘要 湿蒸汽两相非平衡凝结流动数值计算对提高蒸汽透平效率和运行安全性以 及指导通流部分设计叶型设计和除湿装置的设计都有重要意义 本文对湿蒸汽两相非平衡凝结流动数值研究涉及的各个方面数值模型数值 方法成核和水滴生长理论水蒸汽性质计算进行了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
2、析了一维喷管进口压力过热度蒸汽膨胀率对凝结流动的影 响 关 键 词湿蒸汽 自发凝结 两相流动 数值模拟 Abstraction Steam turbine plays a dominant role in power generation industry in the world. In order to improve the efficiency and operation reliability of steam turbines, it is necessary to study the nonequilibrium two-phase steam flow. A calculati
3、ng model of wet steam flows under the hypothesis of inter-phase zero speed slip has been derived on the basis of classical nucleation and droplets growth theory. A numerical simulation of thermal nonequilibrium transonic two-phase flows in a nozzle with spontaneous condensation was performed and the
4、 parameter distribution of wet steam along the axis was described. The calculation accurately predicted the position of rapid condensing. An analytical comparison has been made of the theoretical and experimental results of the pressure change along the flow. The results were presented showing the e
5、ffects of pressure, superheating and expansion rate on water droplets status and pressure shock waves, which is related to the wetness loss coefficient of steam turbine. KEY WORDS: wet steamspontaneous condensationtwo-phase flownumerical simulation 华北电力大学硕士学位论文 4 主要符号表 A 喷管横截面积 m 2 B 二阶维里系数 m 3 / k
6、g C 速度 m / s CP 等压比热 J / ( k g K ) Hf g 汽化潜热 J / k g I 单位质量成核率 1 / ( k g s ) K B o l t z m a n n 常数 J / K k 绝热指数 - K n K n u d s e n 数 - l 蒸汽分子平均自由程 m M 马赫数 - m m 蒸汽分子质量 k g N 水滴数 1 / k g P 压力 P a P r P r a n d t l 数 - P 膨胀率 1 / s qc 凝结系数 - R 气体常数 J / ( m o l K ) r 水滴半径 m S 过饱和度 - T 温度 K s T 饱和温度 K
7、x 沿喷管轴向距离 m Y 湿度 - T 过冷度 K 导热系数 W / ( m K ) g 气相密度 k g / m 3 液相密度 k g / m 3 l 混合气体密度 k g / m 3 表面张力 N / m 下标 0 进口参数 c 临界值 g 汽相 l 液相 t 滞止状态 s a t 饱和状态 上标 + 喉部 华北电力大学硕士学位论文 1 第一章 前言 1 . 1 湿蒸汽两相非平衡凝结流动研究的背景及意义 电力工业是国家的基础工业之一它的发展直接影响着国民经济的发展速度 在火力发电厂和核电站中绝大多数都是以汽轮机带动发电机来生产电能的在电力 和动力工程中湿蒸汽两相流动问题几乎伴随着蒸汽汽轮
8、机同时产生 1 , 2 湿蒸汽给 蒸汽汽轮机主要带来两方面的问题一是汽轮机中蒸汽凝结产生的水分或湿蒸汽进 入汽轮机带入的水分会使机组效率降低二是湿蒸汽中的水滴会导致汽轮机低压 级组动叶片的水蚀损坏目前乃至今后相当长的一段时间内汽轮机作为动力及电 力工业的关键动力装置其重要地位难以动摇火电厂大功率凝汽式汽轮机低压缸 和水冷堆核电汽轮机的全部级都在湿蒸汽区工作由于级内出现湿蒸汽两相流动 在经济性和可靠性方面带来的损失不可低估 3 叶轮机械气动热力学计算流体动力学以及计算机技术的发展对提高汽轮机 设计水平起到了重要的推动作用目前工程上已经可以进行通流和新的高效叶片的 三维设计大幅提高了汽轮机的效率和
9、出力这些进步基本上都是以单相过热蒸汽 流动为基础取得的数十年的研究积累已经使得在单相流动方面继续提高汽轮机 效率变得越来越困难由于在整个汽轮机装置中占出力很大部分的低压汽轮机中后 几级的流动不再是单相过热蒸汽流动而是伴随有相变和传热过程的湿蒸汽两相非 平衡流动其流动机理远比单相流动复杂当前可能存在的较大幅度提高汽轮机效 率的空间也在这里 从设计的观点看研究湿蒸汽两相流动涉及三个方面内容一是当蒸汽在饱和 线下运行时需要知道蒸汽偏离平衡态的程度以及由此对压力和速度的分布产生 的影响确定是否需要修改叶片的设计二是需要定量估计并且减少由湿度引起的 效率损失三是需要一套可靠的方法对叶片水蚀破坏进行预测
10、在蒸汽汽轮机低压级组中蒸汽快速膨胀产生的非平衡凝结流动现象是引起效 率降低的重要原因凝结流动包含非常复杂的物理过程凝结过程的出现也可能对 流动特性产生很大的影响对于湿蒸汽两相凝结流动研究从机理上弄清楚自发凝 结现象的本质以及凝结流动与叶栅中各种复杂流动现象相互作用及其对气动性能 产生的影响是解决问题的关键在此基础上才有可能深入理解湿蒸汽两相凝结 流动的特点依据凝结流自身流动规律设计蒸汽汽轮机的通流部分并探索有效减 少汽轮机中湿度的途径 现代汽轮机设计中高中压汽轮机的效率已经可以比较精确地计算这得益 华北电力大学硕士学位论文 2 于可靠的叶片流动损失的实验数据但在低压级组中由于湿蒸汽流动的强烈三
11、元 特性以及远远超出单相流动的复杂程度使得完全精确的测量很困难并且系统的 低压级组试验研究成本十分昂贵这使得文献中关于湿蒸汽凝结流动实验的公开报 道数量很少然而计算机技术的进步和现代计算流体动力学的研究成果为开展两相 凝结流动数值研究创造了条件基于理论研究和已积累的实验数据建立合理可靠 的湿蒸汽两相凝结流动的理论模型和数值方法的条件已基本成熟 在详细精确计算结果的基础上分析截面上湿蒸汽流动及水滴沉积的特点可 以对通流部分截面和末级初始装置结构的设计提供依据可以得到由于湿蒸汽所产 生的损失在线监测汽轮机的效率从而指导运行操作可以预测低压转子叶片的水 蚀 1 . 2 湿蒸汽两相非平衡凝结流动数值研
12、究发展现状 由于汽轮机中湿蒸汽两相凝结流动现象的复杂性早期对问题的深入研究存在 很大困难在工业界湿蒸汽汽轮机设计中遵循的 B a u m a n n公式早在 1 9 2 1年就已 确定然而背后的详细流动机理最近才开始被人们了解对存在自发凝结的湿蒸汽 两相流动进行计算涉及到气体动力学相变理论统计热力学以及计算流体动力 学等多门学科的知识湿蒸汽两相流动的研究对这些学科提出了新问题也促进 了它们的发展 水滴状态分布可以用水滴数( N ) 水滴半径( r ) 和湿度( Y ) 三个参数完全描述 水滴数( N ) 分布的控制方程可以根据物理过程方便地推导得出然而直接描述水 滴半径的分布却很困难这是由于在
13、两相凝结流动中存在与水滴半径分布有关的 两种过程一是通过自发凝结形成具有临界半径凝结核的过程二是蒸汽在凝结核 上凝结使水滴半径增大的过程两种过程在流动中都可能出现直接推导水滴半径 分布的方程很容易将这两种过程模糊而得不到正确的数学物理模型 求解两相凝结流动问题必须考虑到两相流动的特点来选择合适的数值方法首 先在湿蒸汽两相凝结流动中液滴成核和生长对温度压力很敏感这就要求所 采用的数值方法具有较高的精度其次由于液相成核的突然性导致流场中出现 很陡峭的参数分布这就要求数值方法能很好地捕捉这些参数变化目前一些新的 高分辨率差分格式如 T V D格式矢通量分裂格式N N D格式等正在迅速发展之中 并且逐
14、渐成熟 4 这些高精度格式是为提高激波捕捉精度而发展起来的因而可以 适应凝结流场参数分布非常陡峭的特点 华北电力大学硕士学位论文 3 1 . 3 本文工作 由于湿蒸汽两相流动问题的复杂性自发凝结理论在凝结流计算中存在很多不 确定因素国内外现有的研究都是对不确定因素进行假设与实验值进行对比分析 得到结果数值模型和解法也集中在处理凝结冲波引起陡峭的参数分布凝结流中 的不确定因素在理论上需要进一步探讨 由于湿蒸汽两相凝结流动的复杂性以及科学发展水平和实验手段的限制存在 自发凝结的湿蒸汽两相流动研究中还存在不少问题期待解决但在过去的几十年 中经过各国学者不懈的努力在内流湿蒸汽两相流动实验及数值研究两方
15、面都取 得了不少成果 对湿蒸汽两相凝结流动进行研究的目的是为存在相变的湿蒸汽两相凝结流动 建立起比较完善的数值模型和数值方法研究非平衡湿蒸汽两相凝结流动中的各种 复杂流动现象和损失产生机理为工程设计提供依据并探索减少湿度产生的途径 本文对湿蒸汽两相凝结流动数值计算方面的研究进行了回顾分析了湿蒸汽问 题的研究背景对湿蒸汽两相凝结流动特点进行了归纳总结分析从两相凝结流动 数值模型建立汽液两相间的耦合方式凝结成核及水滴生长模型以及凝结流动数 值计算中涉及到的实际气体性质计算两相流中音速计算等问题进行了阐述总结 了国内外在这些方面的研究现状和存在的问题 建立了存在自发凝结的湿蒸汽两相凝结流动的数学物理
16、模型由于自发凝结形 成的水滴半径很小建立模型时假设两相间无速度滑移描述汽相流动的方程为质 量连续方程动量方程和能量方程描述液相场分布的为水滴数目分布方程水滴 半径分布关系式以及湿度分布方程数值模型中采用水蒸汽的维里型状态方程考虑 实际气体性质提高了计算精度并对湿蒸汽两相凝结流动研究中尚待解决的若干 重要问题了进行了展望 华北电力大学硕士学位论文 4 第二章 自发凝结两相流动分析 本章对水蒸气的气液两相平衡条件经典成核率汽轮机中湿蒸汽两相凝结 流动性质及湿气损失进行了阐述和分析 2 . 1 湿蒸汽性质 水 分 子 低压高压 细雾珠 拉伐尔喷管 高压低压 高压低压 0 . 0 0 1 0 . 0 1 0 . 111 01 0 01 0 0 0 水滴半径r 微米 粗雾珠 透平 图 2 - 1 水珠大小分类 成核 凝结起来的增长 高压热聚合 惯性效应撞击聚合 高压低压雾化 撞击侵蚀 0 . 0 0 1 0 . 0 10 . 111 01 0 01 0 0 0 水滴半径r 微米 水 分 子 图 2 - 2 水珠参与的各种过程
