發(fā)布時間：2017-09-26 10:48

  本文關(guān)鍵詞：電荷作用對濕蒸汽流中非均質(zhì)凝結(jié)影響研究

  更多相關(guān)文章： 電荷誘導(dǎo) 非均質(zhì)凝結(jié) 濕蒸汽兩相流 蒸汽透平

【摘要】：電荷作用能夠強(qiáng)化水蒸汽在低過飽和度下的傳質(zhì)效果,這一觀點最早在Wilson云霧室實驗中得到證實。眾所周知,透平內(nèi)蒸汽流動中的相變傳質(zhì)主要以自發(fā)凝結(jié)(非平衡凝結(jié))為主,由于成核發(fā)生時過飽和度較高,這一過程帶來較為顯著的熱力學(xué)損失及流動問題。當(dāng)蒸汽中存在雜質(zhì)顆粒時,蒸汽分子將以顆粒為核心發(fā)生非均質(zhì)凝結(jié),因而能夠降低成核所需的過飽和度,但這一作用也會隨著微粒尺寸減小而下降。將電荷與雜質(zhì)顆粒相結(jié)合,依靠電荷作用進(jìn)一步強(qiáng)化非均質(zhì)凝結(jié)時的傳質(zhì)效果,可能成為一種用于汽輪機(jī)中降低過飽和度、抑制自發(fā)凝結(jié)的新型途徑。目前,關(guān)于這一新型凝結(jié)控制手段的研究非常少,建立一種適用于微粒帶電時的非均質(zhì)凝結(jié)流動模型,進(jìn)而討論電荷作用對均質(zhì)/非均質(zhì)凝結(jié)過程的具體影響機(jī)理,對于降低汽輪機(jī)損失、提高效率具有較為重要的理論指導(dǎo)意義和實際應(yīng)用價值。首先,基于Fletcher的冠狀成核理論,將非均質(zhì)成核自由能分為狀態(tài)變化產(chǎn)生的自由能以及表面變化產(chǎn)生的自由能等兩部分,單獨(dú)討論了兩部分的計算方法。根據(jù)系統(tǒng)廣義內(nèi)能定義,討論了氣、液系統(tǒng)在靜電場影響下不同范圍內(nèi)的電位移以及靜電能計算,從而給出微粒帶電時的成核自由能計算公式。針對帶電時的成核臨界半徑分析則表明,當(dāng)微粒半徑較大或者帶電量較小時,可以用Kelvin半徑代替電荷作用下誘導(dǎo)成核臨界半徑來計算成核自由能。結(jié)合流動型云霧室已有實驗結(jié)果,針對有、無電荷影響下的成核率公式進(jìn)行了驗證,其計算結(jié)果與實驗結(jié)果吻合較好,兩者之間存在誤差的主要原因為實驗中微粒尺寸及帶電量的不均勻性。其次,基于體積平均的概念,對均質(zhì)/非均質(zhì)凝結(jié)同時存在時的濕蒸汽流動雙流體模型進(jìn)行了詳細(xì)推導(dǎo),討論了適用于濕蒸汽流動的蒸汽熱力學(xué)參數(shù)計算方法,并基于已有的實驗結(jié)果,對此雙流體模型在均質(zhì)凝結(jié)流動以及非均質(zhì)凝結(jié)流動中的可靠性分別進(jìn)行了驗證。均質(zhì)凝結(jié)的流場計算結(jié)果與實驗結(jié)果相比最大誤差不超過8%,非均質(zhì)凝結(jié)流場中壓力分布與實驗測量結(jié)果基本吻合,計算與實驗最大偏離出現(xiàn)在溫度(過冷度)分布上,相對誤差約為5.45%,可以認(rèn)為本文的雙流體模型對于均質(zhì)凝結(jié)流動以及非均質(zhì)凝結(jié)流動的模擬符合真實物理情況,數(shù)值模擬結(jié)果具有較高的可信度。第三,針對均質(zhì)凝結(jié)、非均質(zhì)凝結(jié)以及電荷作用下誘導(dǎo)凝結(jié)等三種凝結(jié)模式下Moses噴管內(nèi)濕蒸汽流動進(jìn)行了數(shù)值模擬。研究表明,微粒濃度對于非均質(zhì)凝結(jié)具有決定性影響,濃度增加將直接提高非均質(zhì)凝結(jié)過程傳質(zhì)總量,因而對隨后發(fā)生的均質(zhì)凝結(jié)抑制作用增加,甚至有可能完全抑制均質(zhì)凝結(jié)的發(fā)生。微粒尺寸對非均質(zhì)凝結(jié)的影響則分為兩方面。一方面,微粒尺寸越大非均質(zhì)成核率越高,相應(yīng)地蒸汽中的非均質(zhì)成核液滴數(shù)能夠在較短時間內(nèi)達(dá)到更高量級。另一方面,微粒尺寸越小,包裹微粒的液滴生長速度將更快。微粒帶電后能夠進(jìn)一步提高微粒表面的非均質(zhì)成核速率,但這一效果還將受到微粒尺寸的影響,具體表現(xiàn)為微粒尺寸越大,電荷作用越弱。此外,依次對蒸汽透平動葉、靜葉以及透平級內(nèi)均質(zhì)凝結(jié)以及電荷作用下誘導(dǎo)凝結(jié)流場進(jìn)行了對比分析。結(jié)果表明,盡管傳質(zhì)過程發(fā)生較均質(zhì)凝結(jié)過程更早,電荷作用下誘導(dǎo)凝結(jié)模式下流場出口濕度并未增加。Bakhtar葉柵以及White葉柵出口濕度均明顯低于均質(zhì)凝結(jié)時的計算結(jié)果,VKI-1透平級出口處濕度在兩種凝結(jié)模式下雖比較接近,但均質(zhì)凝結(jié)模式下數(shù)值上仍更高。同時,兩種凝結(jié)模式下的流場過冷度存在顯著差別,電荷作用下誘導(dǎo)凝結(jié)中流場過冷度峰值更低,Bakhtar葉柵、White葉柵、VKI-1透平級在入口加入高濃度帶電微粒之后,過冷度峰值與均質(zhì)凝結(jié)相比改善程度均在20K以上,并且電荷作用下誘導(dǎo)凝結(jié)流場大部分區(qū)域過冷度均維持在10K以下,基本接近于平衡狀態(tài)。熵分析結(jié)果表明,電荷作用下誘導(dǎo)凝結(jié)與均質(zhì)凝結(jié)相比流場最大熵增在Bakhtar葉柵、White葉柵以及VKI-1透平級中分別下降5%、22.68%、23.2%。另外,與均質(zhì)凝結(jié)時相比,電荷作用下誘導(dǎo)凝結(jié)流場中葉柵內(nèi)氣流偏轉(zhuǎn)能力有所提升。最后,對某真實汽輪機(jī)末級靜葉內(nèi)濕蒸汽兩相流動進(jìn)行了研究。分析了在入口加入電離子前后的兩相凝結(jié)流場變化。與均質(zhì)凝結(jié)時相比,離子誘導(dǎo)凝結(jié)模式下葉片負(fù)荷整體向尾緣遷移,抑制了流道上端壁葉片吸力面靠近出氣邊附近的流動分離現(xiàn)象。離子誘導(dǎo)凝結(jié)同樣能夠在不增加出口濕度前提下降低流場過冷度,但與微粒帶電時的非均質(zhì)凝結(jié)相比其改善作用有所下降。另外,離子誘導(dǎo)凝結(jié)還有助于改善葉柵中的流動特性并降低流動損失。
【關(guān)鍵詞】：電荷誘導(dǎo) 非均質(zhì)凝結(jié) 濕蒸汽兩相流 蒸汽透平
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TK261
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-9
• 符號表9-18
• 第1章 緒論18-30
• 1.1 課題來源18
• 1.2 研究的目的和意義18-19
• 1.3 濕蒸汽流熱力學(xué)損失控制方法19-28
• 1.3.1 通流設(shè)計19-23
• 1.3.2 異質(zhì)核化23-26
• 1.3.3 電場誘導(dǎo)26-28
• 1.4 本文主要研究內(nèi)容及章節(jié)安排28-30
• 第2章 凝結(jié)流動模型30-75
• 2.1 引言30
• 2.2 凝結(jié)理論研究30-50
• 2.2.1 經(jīng)典均質(zhì)成核理論31-39
• 2.2.2 非均質(zhì)成核理論研究39-47
• 2.2.3 Hill水滴生長模型介紹47-50
• 2.3 兩相流動瞬態(tài)體積平均守恒方程組50-58
• 2.3.1 連續(xù)方程51-52
• 2.3.2 動量方程52-55
• 2.3.3 能量方程55-56
• 2.3.4 液滴數(shù)控制方程56-58
• 2.4 兩相流動雷諾時均方程組58-60
• 2.5 兩相流動湍流模型60-64
• 2.5.1 氣相雷諾應(yīng)力方程60-61
• 2.5.2 氣相湍流模型及液相湍流粘性系數(shù)的確定61-64
• 2.6 氣體狀態(tài)方程和熱力學(xué)參數(shù)64-66
• 2.6.1 氣體狀態(tài)方程64-65
• 2.6.2 熱力學(xué)參數(shù)65-66
• 2.7 均質(zhì)-非均質(zhì)凝結(jié)流動仿真實現(xiàn)66-70
• 2.7.1 濕蒸汽熱力學(xué)參數(shù)求解67-68
• 2.7.2 凝結(jié)流場液相參數(shù)求解68-69
• 2.7.3 凝結(jié)流場氣相參數(shù)求解69-70
• 2.8 數(shù)值模型驗證70-74
• 2.8.1 均質(zhì)凝結(jié)模型驗證70-72
• 2.8.2 非均質(zhì)凝結(jié)模型驗證72-74
• 2.9 本章小結(jié)74-75
• 第3章 噴管內(nèi)高速膨脹濕蒸汽中均質(zhì)/非均質(zhì)凝結(jié)流動研究75-113
• 3.1 引言75
• 3.2 噴管中的均質(zhì)凝結(jié)流動75-80
• 3.2.1 均質(zhì)凝結(jié)計算方案75-76
• 3.2.2 典型工況流場分析76-80
• 3.3 典型工況下均質(zhì)/非均質(zhì)凝結(jié)流動80-106
• 3.3.1 無電荷影響時的均質(zhì)/非均質(zhì)凝結(jié)流動80-91
• 3.3.2 微粒帶電時的均質(zhì)/非均質(zhì)凝結(jié)流動91-106
• 3.4 高濃度下的高電量、微尺寸微粒均質(zhì)/非均質(zhì)凝結(jié)多工況分析106-111
• 3.4.1 分組一均質(zhì)/非均質(zhì)凝結(jié)研究106-108
• 3.4.2 分組二均質(zhì)/非均質(zhì)凝結(jié)研究108-110
• 3.4.3 分組三均質(zhì)/非均質(zhì)凝結(jié)研究110-111
• 3.5 本章小結(jié)111-113
• 第4章 考慮電荷效應(yīng)的非均質(zhì)凝結(jié)對透平葉柵中濕蒸汽流動的影響113-137
• 4.1 引言113
• 4.2 帶電微粒對動葉濕蒸汽流動的影響113-125
• 4.2.1 無帶電微粒影響時的凝結(jié)流場113-120
• 4.2.2 有帶電微粒影響時的凝結(jié)流場120-125
• 4.3 帶電微粒對靜葉濕蒸汽流動影響125-132
• 4.4 帶電微粒對透平級濕蒸汽流動影響132-136
• 4.5 本章小結(jié)136-137
• 第5章 電離子誘導(dǎo)凝結(jié)對透平葉柵中非平衡凝結(jié)流動的影響137-149
• 5.1 引言137
• 5.2 計算網(wǎng)格及計算邊界條件137-139
• 5.3 均質(zhì)凝結(jié)-離子誘導(dǎo)凝結(jié)流場對比139-147
• 5.4 本章小結(jié)147-149
• 結(jié)論149-151
• 參考文獻(xiàn)151-159
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文及其它成果159-161
• 致謝161-162
• 個人簡歷162

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本文編號：923092