基于FLUENT的动力机械三维流场模拟及结构改进

发布时间：2017-05-23 10:02

  本文关键词：基于FLUENT的动力机械三维流场模拟及结构改进，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：在蒸汽轮机的低压级部分，蒸汽温度已经降低到接近饱和温度，在膨胀过程中会产生自发凝结，以自发凝结产生的凝结核为中心，蒸汽会慢慢凝聚造成水滴的生长。因此在汽轮机的低压级部分，主流场的流动通常是复杂的湿蒸汽气液两相流动。湿蒸汽现象对于汽轮机主要存在两方面影响：首先自发凝结是一个非平衡凝结过程，会造成热力学损失而影响汽轮机效率；其次凝结成的水滴撞击沉积在叶片表面会对叶片产生磨损腐蚀。因此合理控制湿蒸汽的自发凝结或者去除凝结形成的水滴不仅可以提高汽轮机效率，还能减小叶片的腐蚀。 本文采用Euler-Euler法将湿蒸汽中的液滴和气相都看作是连续性介质，即液滴连续分布于气相中，气液两相相互渗透，通过体积平均法建立气液两相的控制方程，包括气液两相的连续性方程、动量方程、能量方程，本文还推导出液滴数量守恒方程来保证方程组封闭，湍流模型采用标准k-模型。最后在将液相控制方程标准化后，在FLUENT求解器中加载气相控制方程、湍流模型中的源项和液相控制方程的各项实现与UDS求解器的对接。在研究水滴沉积规律时，水滴粒子采用Lagrange粒子追踪法，在与气相的相互作用过程中，水滴粒子会发生破裂，并与叶栅壁面产生碰撞、反弹、沉积等相互作用，本文使用碰撞恢复系数来说明水滴对叶片表面的碰撞，对于叶片的冲蚀磨损模型选取的是Tabakoff模型。 缝隙除湿法是目前汽轮机除湿效果最好的方法之一，本文通过仿真模拟的手段研究三维静叶栅中的湿蒸汽两相流动和水滴沉积规律，研究对象为某汽轮机末级静叶原型和三种不同开槽改型方案，对比不同改型方案的除湿效果，并研究了叶栅通道中的水滴沉积规律。分析结果表明静叶表面开设除湿槽后，在槽口附近由于巨大压差和较大过冷度的原因，会产生强烈抽吸作用，将部分静叶壁面水膜和凝结成的水滴抽吸掉。对比原型和开槽改型方案，两种开槽方案湿度均比原型有明显降低，其中方案2流场湿度在整体上比方案1小，，因此在除湿效率上，方案2要优于方案1。对水滴沉积规律的研究中得出，除湿槽进口宽度越大，抽吸效果越好，但是对主流作用相应增大；除湿槽开设的角度应该尽量保证顺着主流方向；开设在吸力面上的除湿槽越靠近叶片前缘，其抽吸能力越强。
【关键词】：FLUENT 三维流场 模拟 结构改进
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TK261
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-15
• 1.1 湿蒸汽两相流及水滴运动研究背景9-10
• 1.2 湿蒸汽两相流及水滴运动特点10-11
• 1.3 湿蒸汽两相流发展现状11-12
• 1.4 汽轮机除湿技术发展现状12-13
• 1.5 本文主要内容13-15
• 第2章 湿蒸汽两相流及水滴运动模型推导15-36
• 2.1 湿蒸汽两相凝结流动模型的建立15-32
• 2.1.1 气体状态方程15-17
• 2.1.2 液滴成核、生长模型及粘性阻力17-19
• 2.1.3 湿蒸汽两相凝结流动控制方程组19-28
• 2.1.4 湿蒸汽非平衡凝结流动湍流模型28-32
• 2.2 水滴粒子碰撞模型32-34
• 2.3 本章小结34-36
• 第3章 数值模型在 FLUENT 中的实现36-41
• 3.1 FLUENT 中 UDF 及 UDS 功能简介36-37
• 3.2 数值模型在 FLUENT 中的实现37-40
• 3.2.1 维里气体状态方程37-38
• 3.2.2 液相控制方程的实现38-39
• 3.2.3 控制方程在 FLUENT 中的加载39-40
• 3.3 本章小结40-41
• 第4章 湿蒸汽两相凝结流动三维流场分析41-64
• 4.1 静叶三维模型和边界条件41-46
• 4.2 两相凝结流动三维流场结果分析46-59
• 4.2.1 静叶出口流场参数分布46-49
• 4.2.2 三维流场马赫数分布49-51
• 4.2.3 静叶表面压力分布51-52
• 4.2.4 三维流场湿度分布52-55
• 4.2.5 三维流场成核率及水滴数分布55-59
• 4.3 静叶出口参数沿节距分布59-62
• 4.4 本章小结62-64
• 第5章 不同开槽结构水滴沉积规律研究64-80
• 5.1 概述64-65
• 5.2 原型静叶通道内水滴沉积规律65-67
• 5.2.1 静叶中水滴粒子运动轨迹65
• 5.2.2 静叶中水滴粒子沉积率分布65-67
• 5.3 不同除湿槽结构对水滴粒子沉积的影响67-71
• 5.3.1 不同开槽方案水滴沉积率分布67-69
• 5.3.2 不同开槽方案除湿槽抽吸率对比69-71
• 5.4 实际工况下不同开槽方案水滴沉积研究71-78
• 5.4.1 实际工况边界条件及入口水滴分布71-74
• 5.4.2 实际工况下不同开槽方案沉积率及抽吸率对比74-76
• 5.4.3 不同开槽方案沉积率沿静叶轴向分布76-78
• 5.5 本章小结78-80
• 结论80-82
• 参考文献82-88
• 致谢88

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