本文關(guān)鍵詞：Euler方程S2流面計(jì)算方法及透平內(nèi)蒸汽自發(fā)凝結(jié)流動(dòng)數(shù)值研究

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【摘要】：電力工業(yè)是國(guó)民生產(chǎn)的支柱產(chǎn)業(yè),為經(jīng)濟(jì)社會(huì)的持續(xù)快速發(fā)展提供了有力支撐,而占發(fā)電總裝機(jī)容量80%左右的火電和核電是我國(guó)發(fā)電行業(yè)主體這一現(xiàn)象必將長(zhǎng)期存在。作為火電廠和核電廠中將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的關(guān)鍵裝置,蒸汽透平對(duì)電廠正常、高效運(yùn)行具有重要影響。提高透平整機(jī)效率不僅會(huì)帶來極大的經(jīng)濟(jì)效益,在降低煤耗、減少排放等方面也都具有顯著收益;由于低壓級(jí)是限制透平做功能力和效率提高的重要部件,因此,開展對(duì)于低壓透平中濕蒸汽兩相凝結(jié)流動(dòng)的相關(guān)研究具有重要意義。為獲得快速、可靠的濕蒸汽流動(dòng)特性計(jì)算方法,首先完善了一種基于Euler方程并可有效考慮葉片厚度及三維空間幾何影響的快速求解流道中心S2流面氣動(dòng)參數(shù)的計(jì)算方法。在任意正交曲線坐標(biāo)系中詳細(xì)推導(dǎo)了適用于S2流面計(jì)算方法的Euler控制方程及方程中各項(xiàng)的表達(dá)形式、計(jì)算方法,結(jié)合非守恒型變量的隱格式時(shí)間差分、迎風(fēng)近似因子分解格式和三階精度TVD差分格式進(jìn)行求解,還應(yīng)用Riemann求解器處理網(wǎng)格交界面處參數(shù)不連續(xù)的現(xiàn)象。提出了一種分別利用二次函數(shù)和指數(shù)函數(shù)表示葉柵出口渦核損失和附面層損失的二次流損失模型,將該模型與M-B模型結(jié)合并應(yīng)用于S2流面計(jì)算方法。對(duì)帶弧形凸起流道、Mason Laval噴管、某直列葉柵和某一級(jí)半低壓透平內(nèi)流動(dòng)的計(jì)算結(jié)果表明,本文的S2流面計(jì)算方法對(duì)亞音速、跨音速和超音速流動(dòng)均有較好的預(yù)測(cè)能力,對(duì)間斷流場(chǎng)流動(dòng)參數(shù)捕捉能力較為可靠,數(shù)值計(jì)算精度較高,能夠合理計(jì)算多級(jí)透平氣動(dòng)性能參數(shù)及其分布,為透平氣動(dòng)設(shè)計(jì)和性能評(píng)估提供了速度快、精度高的計(jì)算工具。其次,結(jié)合“理想蒸汽”模型、“IF97表格”模型和“Young方程”模型等三種蒸汽物性計(jì)算模型發(fā)展了考慮平衡態(tài)濕蒸汽流動(dòng)的S2流面計(jì)算方法。分別利用三種模型制作了局部Mollier圖以校驗(yàn)三種模型對(duì)不同狀態(tài)下蒸汽物性的計(jì)算精度,對(duì)比發(fā)現(xiàn)“IF97表格”模型和“Young方程”模型對(duì)過熱蒸汽和濕蒸汽物性參數(shù)計(jì)算結(jié)果基本一致,而“理想蒸汽”模型對(duì)預(yù)估h-s曲線之外(尤其是濕蒸汽區(qū))參數(shù)計(jì)算誤差較大。對(duì)某單級(jí)過熱蒸汽透平和某一級(jí)半濕蒸汽透平內(nèi)流動(dòng)的計(jì)算結(jié)果表明,三種模型對(duì)過熱蒸汽透平計(jì)算結(jié)果較為相近,應(yīng)用“理想蒸汽”模型計(jì)算耗時(shí)最少,但其對(duì)濕蒸汽透平氣動(dòng)總性能參數(shù)和流場(chǎng)參數(shù)計(jì)算誤差較大,“IF97表格模型”和“Young方程”模型對(duì)氣動(dòng)參數(shù)計(jì)算誤差較小,為蒸汽透平初步設(shè)計(jì)時(shí)快速、可靠地計(jì)算透平宏觀性能參數(shù)提供了有效的方法。再次,基于Eulerian/Eulerian多相流模型、二階NND差分格式、FVS形式的Van Leer格式、“Young方程”物性計(jì)算模型、修正的經(jīng)典成核理論等建立了考慮蒸汽自發(fā)凝結(jié)兩相流動(dòng)的S2流面計(jì)算方法。在Laval噴管流動(dòng)計(jì)算中,通過對(duì)凝核速率計(jì)算式中的自由能障項(xiàng)添加修正函數(shù)使得蒸汽凝核發(fā)生位置提前、凝核強(qiáng)度增加,從而獲得了與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好的計(jì)算結(jié)果。將上述考慮蒸汽自發(fā)凝結(jié)流動(dòng)的非平衡態(tài)濕蒸汽計(jì)算模型及濕汽損失計(jì)算方法應(yīng)用于某三級(jí)低壓蒸汽透平流動(dòng)特性預(yù)測(cè)中,并與分別采用純氣相、平衡態(tài)濕蒸汽方法的模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明,與平衡態(tài)濕蒸汽計(jì)算結(jié)果相比,在非平衡態(tài)濕蒸汽流動(dòng)計(jì)算中考慮過冷度的影響,蒸汽濕度出現(xiàn)位置明顯延后;非平衡態(tài)蒸汽模型計(jì)算得到的過飽和蒸汽區(qū)流動(dòng)參數(shù)較低,而不同模型對(duì)濕蒸汽區(qū)參數(shù)的預(yù)測(cè)結(jié)果差異較小;受出口背壓限制,非平衡態(tài)蒸汽方法計(jì)算所得末列動(dòng)葉載荷有所升高。此外,蒸汽透平中濕汽損失較為明顯,其中凝結(jié)損失、過飽和損失和制動(dòng)損失尤為顯著。最后,利用一種基于正弦函數(shù)的非對(duì)稱端壁造型方法研究了非對(duì)稱端壁造型對(duì)蒸汽葉柵內(nèi)氣動(dòng)參數(shù)和蒸汽凝結(jié)特性的影響。通過對(duì)Moses-Stein噴管和White葉柵內(nèi)自發(fā)凝結(jié)濕蒸汽兩相流動(dòng)的模擬進(jìn)一步驗(yàn)證了對(duì)凝核速率計(jì)算公式修正的效果及精度,并令端壁翹曲峰值為5%葉高,將一種基于正弦函數(shù)的非對(duì)稱端壁造型方法應(yīng)用于White葉柵端壁造型以考查其對(duì)蒸汽透平葉柵中氣動(dòng)性能和凝結(jié)特性的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn),峰值軸向位置前置的非對(duì)稱端壁造型對(duì)柵內(nèi)氣動(dòng)參數(shù)和凝結(jié)參數(shù)影響較小;峰值軸向后置時(shí)可有效抑制流道內(nèi)端區(qū)附近吸力面?zhèn)鹊恼羝爽F(xiàn)象,但在角區(qū)增大的逆壓梯度導(dǎo)致產(chǎn)生顯著的流動(dòng)分離,局部氣動(dòng)損失有所增加;峰值位于50%軸向弦長(zhǎng)位置時(shí)的非對(duì)稱端壁對(duì)柵內(nèi)流動(dòng)損失和端區(qū)蒸汽凝結(jié)強(qiáng)度均有較好的抑制作用,為改善蒸汽透平內(nèi)氣動(dòng)性能和控制端區(qū)附近蒸汽凝結(jié)現(xiàn)象等提供了較好的基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TK14

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