氢透平膨胀机叶栅流场数值模拟与试验验证

发布时间：2021-09-03 06:58

　　叶栅作为氢透平膨胀机能量转化的核心部件,其工作效率对膨胀机至关重要,调用SST湍流模型,针对实际气体性质的氢气参数开展了数值模拟,分析叶栅的内部流动规律及其二次流能量损失机理,结果表明叶栅上下端壁的能量损失呈对称分布,叶栅的前缘能量损失较小,喉部以及尾缘能量损失较大,叶栅的吸力面发现比较严重的流体流动集中现象,尾缘处存在尾迹涡。同时,开展试验对数值模拟的可靠性进行验证,通过截取实际叶栅的两个流道设计了试验系统,在不同入口压力下通入氢气开展试验,通过测量试验模型进出口温度和压力将其作为数值模拟的边界条件开展数值模拟,拟合试验和数值模拟的出口温度进行分析,发现试验值和模拟值的发展趋势一致。 

【文章来源】：低温工程. 2020,(05)北大核心CSCD

【文章页数】：7 页

【部分图文】：

模型的建立以及网格划分

通过对叶栅数值计算,采取50 %静叶高截面进行分析,计算得到压力云图如图2a所示,在入口段压力变化较小,喉部和尾缘部压力梯度较大。如图2b所示,温度云图与压力云图(图2a)从入口到出口的变化过程比较相似,在入口段能量转换较小,在喉部和尾部存在较大的能量转化,出口的平均温度为34.8 K,计算得到的速度云图如图2c所示,在叶栅的前缘存在滞止状态,喉部和斜切口速度很大,出口处的平均速度达到304.6 m/s。低温氢气在叶栅膨胀的过程,出口速度越大,温度越低,说明其工作效率越高。基于数值模拟分析结果,为了对叶栅的内部流动规律进行深入分析,定义总压损失系数:

总压损失系数的物理意义可以理解为:叶栅内任意一点处总压损失值与叶栅总压降中转换为动能的压降之比[7],总压损失系数越小,说明有用功越多。计算结果如图3所示,通过叶栅总压损失系数沿流向方向的分布可以发现,在叶栅流向70%以内,总压损失系数增加缓慢,能量损失较小,这是因为在叶栅的前端,其主要作用是将工质导向喉部,发生的能量转换情况较少;在叶栅流向70%—95%范围内,即流过喉部,接近尾源段,能量损失剧烈,并且一直呈现上升趋势,这是因为在该区域内,能量转换较大,吸力面和压力面之间压力梯度较大,并且存在边界层效应以及二次流的影响,因而应当重点研究该部分能量损失情况;在流向95%以后,总压损失系数直线降低,及接近出口的位置,能量损失降低。为了深入探讨叶栅能量损失机理,进一步通过数值模拟对不同截面的总压损失系数进行分析。选择叶栅相对于入口位置0.3、0.5、0.7、0.9、0.95和0.98处的6个截面进行数值模拟。如图4所示,通过各截面的总压损失系数云图,可以发现,总压损失系数沿着叶高的方向呈现对称分布,即上下端面的能量损失是一致的,且接近上下端面以及叶片附近,能量损失相对较大,并且总压损失系数随着截面的往后推移在不断增大,同时,总压损失集中在吸力面,即在吸力面有较大的能量损失,并且在截面0.7以后,能量损失持续增大,在叶片尾缘处,总压损失系数达到最大,可能是由于尾迹涡存在引起,需要流线图的进一步验证。

【参考文献】：
期刊论文
[1]低温氦气透平膨胀机导向叶栅的数值模拟[J]. 李晓明,李健,李青.  低温与超导. 2018(04)
[2]ORC向心透平静叶栅内二次流结构和损失分析[J]. 王智,尹立冰,刘艺苗,焦庆雅,屈海涛.  动力工程学报. 2017(10)
[3]向心透平导向叶栅的结构优化[J]. 魏新利,邱志明,马新灵,王慧.  郑州大学学报(工学版). 2014(01)
[4]叶栅二次流旋涡结构与损失分析[J]. 林奇燕,郑群,岳国强.  航空动力学报. 2007(09)
[5]透平膨胀机导流器的数值模拟[J]. 王海军,侯予,赵红利,陈纯正.  低温工程. 2007(03)

硕士论文
[1]汽轮机弯扭叶片流固耦合分析及性能研究[D]. 郭朋飞.郑州大学 2014



本文编号：3380641