亚音速条件下Bakhtar叶栅内蒸汽流动的数值模拟

汽轮机末几级内蒸汽的凝结流动对机组效率及安全运行都会产生重大影响,但对这种双相流动的研究却比较困难,因此有必要对透平叶栅内蒸汽的凝结过程进行深入的研究。Bakhtar等通过特殊设计的实验装置,在平面叶栅上对某次末级叶栅进行了实验研究。对其实验结果进行了亚音速条件下的数值模拟研究,以期对该流动机理有深入一些的了解。     

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。     

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。     

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。     

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．     

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.     

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。     

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。     

海豚型叶片对动叶栅流场的影响

采用遗传算法及人工神经网络的优化算法,把某汽轮机末级常规静叶片改型设计成海豚仿生型叶片。利用两相均质数值方法和湿蒸汽平衡相变模型,以商用软件CFX为计算平台,模拟了常规原型与新设计的海豚型叶栅流场。通过对计算结果进行比较,分析该海豚型叶片与常规叶片在气动性能上的异同,探索海豚型叶片是如何通过改变叶栅流道内蒸汽湿度的分布状况来更好地适应叶栅内湿蒸汽跨音速流动。     

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。     

超音速分离管中水蒸气凝结相变的数值研究

基于超音速分离管中混合气体流动属于伴随凝结相变的可压缩、跨音速的特点,建立了考虑传质效应与非平衡凝结过程的数学模型,并采用数值方法对伴随水蒸气凝结的超音速分离管中的流动进行分析研究。以空气、水蒸气及液态水为流动介质,采用两相流动中的VOF模型结合凝结相变模型以及组分传输模型,研究不同进出口参数及不同水蒸气含量对凝结流场的影响。研究结果表明,所建立的分离管内部非平衡凝结相变模型可以较好的再现超音速流中的凝结成核及液滴生长过程;数值计算结果表明,入口压力、温度及水蒸气含量对分离管内流动凝结过程有直接且重要的影响。因此在进行超音速分离管设计时,考虑温度压力参数的同时,考虑水蒸气含量对分离管性能的影响也是非常重要的。     

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。     

叶尖自发射流条件下涡轮非定常流动的数值模拟

为分析自发射流条件下非定常尾迹对叶顶间隙流动、S1流面和S2流面上流场参数、叶尖泄漏比和动叶载荷变化的影响,采用数值模拟方法,以Durham叶栅为原型,将动、静叶栅流场通过滑移网格技术耦合,开展非定常计算。结果表明:在静叶非定常尾迹的影响下,转子区域流场内的流动、叶尖间隙泄漏比及叶片周向载荷均呈现出周期性变化的特征;考虑非定常效应和端壁相对运动效应,相较于无叶尖射流,单孔叶尖自发射流可使泄漏比降低4.57%,比定常计算预测的泄漏比低3.43%,表明要想准确获得叶尖射流条件下的叶栅流动特性和叶尖泄漏抑制效果,其间的非定常效应不可忽略。     

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.     

大负攻角下汽轮机末级动叶栅二维分离流特性的数值分析

采用控制容积积分法及压力修正算法,结合κ－ε湍流模型求解二维稳态雷诺时均N－S方程组,对一透平动叶栅在不同负攻角条件下的分离流动进行了数值模拟。计算结果与试验结果吻合较好。根据计算结果对大负攻角条件下叶栅二维分离流动的特点以及攻角对叶栅气动特性的影响进行了分析。     

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。     

湿蒸汽汽轮机高压缸排汽中水滴平均直径的计算

根据湿湿蒸汽汽轮机的特点，重点分析了蒸汽在叶栅中的膨胀凝结过程，探讨了利用自发凝，结成核理论计算高压缸排汽中水滴平均直径的近拟方法。     

汽轮机调节级动叶栅大负冲角工况下的三维分离流动研究

对大功率汽轮机组提出的承担调峰任务的要求使得调节级小展弦比动叶栅非设计工况下的二次流与分离流特性受到关注。采用经试验考核的计算方法对一展弦比为0．344的动叶栅在冲角条件下的三维分离流场进行数值模拟，得到了详细的叶栅二次流与分离流的流动图谱，并给出了气流的三维分离模式。计算结果表明：在大负冲角条件下，三维分离流动显著改变了叶栅二次流结构及出口气流参数沿叶高的分布规律。叶栅出口气流在下端壁附近发生明显的欠偏转现象，同时叶栅下部的损失急剧增加，流动的总损失比设计工况增大2倍，二次流损失增大4倍。图10参5     

透平导叶应用不同周向弯曲母线改进设计的研究

应用数值计算的方法,比较研究了某型导叶叶片不同周向弯曲对叶栅流动性能的影响,结果包括总压损失系数、出口气流静压、马赫数沿叶高分布。计算基于时均N—S方程,湍流模型为Baldwin-Lomax模型。结果表明,该导叶简单的斜置叶片可以提高叶根局部的流动性能,叶顶流动性能差,对整个叶栅的流动性能的提高却十分有限,J型弯曲可以兼顾叶很和叶顶流动而义弯曲母线易于计算优化。C型弯曲叶顶流动性能较好,但弯曲母线选择优化困难。