汽輪機葉片級聯的計算數值模型和相關邊界條件研究

修亞男

摘要：描述分散相總體的動量方法是矩量法，采用矩量法中的液滴尺寸分布函數方程。該方法利用尺寸分布密度的下階矩來描述液滴的生長和成核過程。該方法的優點是只求解了少量的液滴尺寸矩的輸運方程，而不是在方法中處理大量的輸運方程，分解成分數。

關鍵詞：汽輪機;葉片;數值模型

0 ?引言

在本論文中，表示網格研究和驗證之后，將多分散模型與單分散模型進行了比較。描述分散總體的動量方法是矩量法，采用矩量法中的液滴尺寸分布函數方程。該方法利用尺寸分布密度的下階矩來描述液滴的生長和成核過程。該方法的優點是只求解了少量的液滴尺寸矩的輸運方程，而不是在方法中處理大量的輸運方程，分解成分數。這些方法在二維和三維計算中是最實用的。但是，所涉及的近似在處理實際冷凝流動中可能發生的寬尺寸分布時會導致一些不準確的結果。通過對液滴生長速率的泰勒級數近似，在處理這種分布方面取得了一些改進，但只有在液滴尺寸保持較小的情況下才會這樣做。動量法最大的缺點是它不能顯示出在成核區的任何位置產生的液滴對濕蒸汽流的影響。本文的作者認為，形核區的幾何劃分可以用于液滴的分組。用幾何除法，計算的次數可以減少，可用于二維和三維幾何形狀。這種方法可以看到在成核區的每個位置產生的液滴對濕蒸汽流的影響。在單分散模型中，進行了質量平均整個成核區，使有核液滴的半徑和生長的液滴的半徑相等。在所提出的方法中，為了減少時間消耗，每組只提供幾次質量平均過程，然后，每組繼續增長。

聲波升壓乘以速度升壓的綜合效應是整體噴射器壓縮比。筆者看到的比率，高達12：1的很少，更常見的壓縮比大約是8：1。聲波助推器的丟失通常有各種各樣的原因，當這種情況發生時，噴射器它一直發出響亮的聲音，轉而會突然變得更安靜。也會導致真空的突然喪失。由于動力蒸汽從蒸汽噴嘴排出，蒸汽最好以最大速度移動。因為蒸汽的速度是壓縮真空塔或表面冷凝器關閉氣體，而不是它的壓力或溫度，而是速度總是需要最大化。故障，如蒸汽噴嘴的侵蝕、噴嘴中的硬度沉積、低動力蒸汽壓力也會降低動力蒸汽的噴嘴出口速度進入噴射器的混合室，當結合的氣體加動力蒸汽流入擴散器的匯聚部分時，我們希望蒸汽以最大速度移動，這樣我們就能達到聲波速度擴散器喉部或之前的位置。如果沒有，音速提升就會失去。來自擴散器發散部分的背壓，以及低擴散器入口速度，都會降低擴散器喉部的蒸汽速度。當蒸汽流經擴散器的發散部分時，我們希望蒸汽從下游冷凝器中遇到最小的背壓。如果排氣從擴散器流出的流量確實遇到過大的背壓，然后背壓將被傳送回擴散器喉道。這將不會對噴射器的整體壓縮比有很大的影響，除非擴散器喉部的速度低于聲速。表面冷凝器或真空塔中的壓力將以最令人震驚的方式跳躍。通常導致擴散器排氣壓力過大的因素是向下游冷凝器流動的較溫暖的冷卻水、冷凝器的污垢、密封腿或凝結水備份泵，下游噴射器中聲波升壓的損失、下游噴射器排放的冷凝器問題、擴散器本體上的空氣泄漏以及許多其他可能的問題。然后，除了上述引起聲速提升損失的問題外，還有動力蒸汽問題，如蒸汽熱度過高、動力蒸汽壓力過大、動力蒸汽預過低，空氣泄漏，夾帶液體，過度破裂的氣體，相互連接管道的摩擦損失，以及許多其他問題的可能性。

在考慮真空射流的性能時，必須首先考慮射流的整體壓縮比。要計算射流的壓縮比。這是一個兩級壓縮機，沒有移動部件。壓縮機第一級為匯聚段，第二階段為分歧段。每一節開發一個單獨的壓縮比。按壓縮比，指出口壓力除以進口壓力。

這些是在蒸汽負荷、排放壓力和最佳動力蒸汽條件的設計參數范圍內正常工作的射流的典型設計值。該領域任何單一蒸汽射流都發展出10：1的壓縮比。當高速蒸汽進入擴散器入口時，它開始壓縮進入混合室的不凝性蒸汽。不可壓縮氣體流入混合室的原因與任何氣體流入任何壓縮機的吸力相同。它流向擴散器的入口，因為氣體從較高壓力的個區域到較低壓力的區域。當動力蒸汽進入擴散器入口時，將其加速到聲速所需的動能來自：蒸汽的壓力、蒸汽的溫度、蒸汽的潛熱。這意味著當動力蒸汽從蒸汽噴嘴逸出時，它會冷卻，也會部分凝結。因此，有水滴吹入擴散器是正常的。音速應該達到。如果發生這種情況，據說射流處于臨界流動狀態。要獲得聲速提升，速度必須高于聲速。隨著速度的增加，聲波升壓壓縮比不會增加。然而，如果這個速度低于速度的聲音，聲波升壓壓縮是立即和完全失去。它可以將流動的蒸汽和不可凝結物的組合壓縮四到一倍。要獲得聲速提升，速度必須高于聲速。隨著速度的增加聲波升壓壓縮比不增加。然而，如果這個速度低于聲速，聲波升壓壓縮就會立即完全失去。射流的匯聚段已停止壓縮氣體。動能的減少轉化為壓力。把這種速度轉換成壓力，叫做“速度膨脹。它可以將流動的蒸汽和不可凝結物的組合壓縮兩到三倍。速度提升從未完全喪失。它隨蒸汽壓力、蒸汽負荷和冷凝器背壓的變化而變化。但它總是在一定程度上壓縮氣體。速度提升基本上是第二階段，更小的階段，兩級壓縮機，沒有移動部件。當射流“斷裂”時，速度提升繼續工作，即使聲波提升已經完全停止。

產生由成核現象引起的液滴，這些液滴在第一組中產生由成核現象引起的液滴。在第二控制體積中，一些液滴是由成核現象產生的。一些液滴是由成核現象產生的。形核區的幾何劃分可以基于高度、長度或其他方法。形核區的幾何劃分應該具有這樣的特征，即質量平均數之間的有核液滴和每組生長的液滴必須很少。目標多分散模型的計算時間與葉片和噴嘴的單分散模型相差不大。如果使用一個芯進行處理，則多分散模型計算時間約為單分散模型的1.5倍。在多分散方法中，液相和蒸汽相之間建立連接：

1ρ=1-∑yiρv∑yiρli（1）

h=1-∑yihv（2）

總液體質量分數等于基團的液體質量分數之和，由方程得到。y=∑yi第i組的液滴半徑如下ri=（3yi4πρlini）1/3。為了與單分散模型進行比較，所有組都需要一個平均半徑，每個液滴組的溫度是從方程中得到的。

1 ?數值模型

計算了均勻兩相混合、動量和能量的方程。本文測試了20個液滴群，用單液體法求解液體質量分數的羅普爾特和20關系。在這個模型中，液體的速度等于蒸汽的速度。在大多數研究中，這個德爾已經被使用了。所有液滴群的速度等于蒸汽速度，蒸汽與液相之間的速度滑移是被忽視的。渦輪葉片內流場中的引力可以忽略不計。液相和蒸汽相的壓力被認為是相等的。湍流粘度等于：μT=ρCμk2εwhere，k是湍流動能，ε是湍流耗散率，Src是源項，Ψ是湍流數，μT是湍流粘度和Cμ是一個粘度相關常數，值在0.0845到0.09之間。

2 ?狀態方程

在工業設備設計中，需要利用狀態方程和合適的性能。在汽輪機中，熱力學性質過冷蒸汽對成核率和液滴生長有影響。在目前的研究中，利用狀態方程的二階系數來估計低壓流動中的蒸汽特性。P=ρvRTv（1BρvCρv2），其中B和C是病毒。本文的系數是從利用狀態方程的系數來估計低壓流動中的蒸汽性質。P=ρvRTv（1BρvCρv2），其中B和C是從系數中獲得的。

3 ?均質冷凝模型

從方程中估計了過飽和度比和超冷卻程度。通過時間大量液滴成核和生長，兩相流動將回到平衡條件。在這些條件下液滴形成的過程被稱為均勻成核。為了提供成核，分子團簇應控制臨界自由能，形成具有臨界半徑的液滴，形成球形液滴。ΔG=4πr2σr-mRTvln（PPS（Tv），其中σr是與平板表面應力相等的表面應力。對于每個過冷單相蒸汽，吉布斯自由能的變化有一個最大點。該點對應的半徑被命名為臨界半徑，它被稱為開爾文-赫爾姆霍茲方程，它決定了在任何過飽和度比下處于亞穩平衡的液滴尺寸。表示TH的經典成核方程。用Eq表示液滴產生速率的穩態分布，每個蒸汽質量單位的臨界半徑為時間。Jclass=qc2σrπmm-3/2ρvρlexp（-4πr*2σr3KbTv）whereqc是縮合系數，kb是玻爾茲曼常數，m是分子的質量，r是i這是氣體的常數。然后，對經典成核方程進行了不同的修正，包括在方程中使用的Kantrowitz修正。

J=11？覫Jclass，其中？覫是溫度修正系數，？覫=2（γ-1）（γ1）hlvrtvhlvrtv-12，其中hlv和γ是冷凝和熱容的潛熱。在汽輪機流動中，也可以加入非均相成核形成的液滴。然而，這些液滴上的凝結量太小，無法影響主流的行為。因此，高速流動中凝結的主要機制是均勻成核。在本研究中，忽略了異質成核。Γ1，i=43πρliρr*3Ji（22）Γ2，i=4πρliρniri2drdti。Γ1i是從有核液滴中獲得的質量源，Γ2i是從I組液滴生長中獲得的質量源，是液滴生長CON，I=1ρliλvri-Tv）hlv（24）（drdt）HK，i=1ρliP2πR（1Tv-1Tli）（25）1（drdt）i=1（drdt）CON，i1（DRDT）。

4 ?侵蝕率

液滴與渦輪葉片碰撞是產生侵蝕和機械損傷的原因。在目前的研究中，Lee等人的模型用來估計侵蝕，這個模型是用液滴流動的碰撞速率、液滴碰撞速度、液滴尺寸和材料硬度表示，并將其寫成：Er=ke（mlmref）（VlVref）5.1（ddref）β10γ，其中ke是腐蝕常數，γ是硬度常數，HV是依賴于葉片材料的硬度值，ml是液滴流量，Vl是液滴速度，d是液滴直徑。

5 ?冷凝損失

當水滴成核和生長時，蒸汽的熱力學和動力學性質發生變化，蒸汽工作能力降低。這些變化被稱為濕度損失及其計算是重要的。冷凝損失是由于蒸汽分子凝結而產生的損失液滴表面。當發生成核現象時，液滴表面的蒸汽分子凝結，液滴生長。凝結過程是一個不可逆的過程，也會產生損失。lq=hlv（ml，out-ml，in）qc，其中qc是縮合系數;lq是縮合損失;ml，out是出口液體質量流量;ml，in是入口液體流量質量流量。

6 ?解決方案

數值模擬是基于有限體積法求解控制方程。采用二維雷諾平均方程進行數值模擬，可壓縮、粘性、湍流和穩態流動，還實現了單流體多相地層。采用基于密度、隱式和二階迎風離散化方案質量、動量、能量和液滴群方程。為了離散對流項提出了一種基于通量差分格式的方法。本研究中表示成核率計算的流程圖，由凝聚液滴的成核和質量產生的液滴的質量。每組20個液滴組，考慮到成核區提供的分裂，計算了各組的值。利用第一組中的液滴溫度估算了第一組的熵和焓。第一組的半徑是用方程得到的。利用第一組中的液滴溫度發現第一組中的液滴生長。用于計算第一組中的凝聚液滴質量，然后對每組2至20重復所有上述計算。

7 ?結果和討論

在本節中，在表示網格研究和驗證之后，將多分散模型與單分散模型進行了比較。多分散模型有助于不同尺寸的液滴形成，當發生非平衡凝結時，它為半徑創造了一個范圍，在這種情況下侵蝕現象和凝結損失渦輪葉片將被完全評估。

參考文獻：

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