电荷作用对湿蒸汽流中非均质凝结影响研究

发布时间：2017-09-26 10:48

  本文关键词：电荷作用对湿蒸汽流中非均质凝结影响研究

  更多相关文章： 电荷诱导 非均质凝结 湿蒸汽两相流 蒸汽透平

【摘要】：电荷作用能够强化水蒸汽在低过饱和度下的传质效果,这一观点最早在Wilson云雾室实验中得到证实。众所周知,透平内蒸汽流动中的相变传质主要以自发凝结(非平衡凝结)为主,由于成核发生时过饱和度较高,这一过程带来较为显著的热力学损失及流动问题。当蒸汽中存在杂质颗粒时,蒸汽分子将以颗粒为核心发生非均质凝结,因而能够降低成核所需的过饱和度,但这一作用也会随着微粒尺寸减小而下降。将电荷与杂质颗粒相结合,依靠电荷作用进一步强化非均质凝结时的传质效果,可能成为一种用于汽轮机中降低过饱和度、抑制自发凝结的新型途径。目前,关于这一新型凝结控制手段的研究非常少,建立一种适用于微粒带电时的非均质凝结流动模型,进而讨论电荷作用对均质/非均质凝结过程的具体影响机理,对于降低汽轮机损失、提高效率具有较为重要的理论指导意义和实际应用价值。首先,基于Fletcher的冠状成核理论,将非均质成核自由能分为状态变化产生的自由能以及表面变化产生的自由能等两部分,单独讨论了两部分的计算方法。根据系统广义内能定义,讨论了气、液系统在静电场影响下不同范围内的电位移以及静电能计算,从而给出微粒带电时的成核自由能计算公式。针对带电时的成核临界半径分析则表明,当微粒半径较大或者带电量较小时,可以用Kelvin半径代替电荷作用下诱导成核临界半径来计算成核自由能。结合流动型云雾室已有实验结果,针对有、无电荷影响下的成核率公式进行了验证,其计算结果与实验结果吻合较好,两者之间存在误差的主要原因为实验中微粒尺寸及带电量的不均匀性。其次,基于体积平均的概念,对均质/非均质凝结同时存在时的湿蒸汽流动双流体模型进行了详细推导,讨论了适用于湿蒸汽流动的蒸汽热力学参数计算方法,并基于已有的实验结果,对此双流体模型在均质凝结流动以及非均质凝结流动中的可靠性分别进行了验证。均质凝结的流场计算结果与实验结果相比最大误差不超过8%,非均质凝结流场中压力分布与实验测量结果基本吻合,计算与实验最大偏离出现在温度(过冷度)分布上,相对误差约为5.45%,可以认为本文的双流体模型对于均质凝结流动以及非均质凝结流动的模拟符合真实物理情况,数值模拟结果具有较高的可信度。第三,针对均质凝结、非均质凝结以及电荷作用下诱导凝结等三种凝结模式下Moses喷管内湿蒸汽流动进行了数值模拟。研究表明,微粒浓度对于非均质凝结具有决定性影响,浓度增加将直接提高非均质凝结过程传质总量,因而对随后发生的均质凝结抑制作用增加,甚至有可能完全抑制均质凝结的发生。微粒尺寸对非均质凝结的影响则分为两方面。一方面,微粒尺寸越大非均质成核率越高,相应地蒸汽中的非均质成核液滴数能够在较短时间内达到更高量级。另一方面,微粒尺寸越小,包裹微粒的液滴生长速度将更快。微粒带电后能够进一步提高微粒表面的非均质成核速率,但这一效果还将受到微粒尺寸的影响,具体表现为微粒尺寸越大,电荷作用越弱。此外,依次对蒸汽透平动叶、静叶以及透平级内均质凝结以及电荷作用下诱导凝结流场进行了对比分析。结果表明,尽管传质过程发生较均质凝结过程更早,电荷作用下诱导凝结模式下流场出口湿度并未增加。Bakhtar叶栅以及White叶栅出口湿度均明显低于均质凝结时的计算结果,VKI-1透平级出口处湿度在两种凝结模式下虽比较接近,但均质凝结模式下数值上仍更高。同时,两种凝结模式下的流场过冷度存在显著差别,电荷作用下诱导凝结中流场过冷度峰值更低,Bakhtar叶栅、White叶栅、VKI-1透平级在入口加入高浓度带电微粒之后,过冷度峰值与均质凝结相比改善程度均在20K以上,并且电荷作用下诱导凝结流场大部分区域过冷度均维持在10K以下,基本接近于平衡状态。熵分析结果表明,电荷作用下诱导凝结与均质凝结相比流场最大熵增在Bakhtar叶栅、White叶栅以及VKI-1透平级中分别下降5%、22.68%、23.2%。另外,与均质凝结时相比,电荷作用下诱导凝结流场中叶栅内气流偏转能力有所提升。最后,对某真实汽轮机末级静叶内湿蒸汽两相流动进行了研究。分析了在入口加入电离子前后的两相凝结流场变化。与均质凝结时相比,离子诱导凝结模式下叶片负荷整体向尾缘迁移,抑制了流道上端壁叶片吸力面靠近出气边附近的流动分离现象。离子诱导凝结同样能够在不增加出口湿度前提下降低流场过冷度,但与微粒带电时的非均质凝结相比其改善作用有所下降。另外,离子诱导凝结还有助于改善叶栅中的流动特性并降低流动损失。
【关键词】：电荷诱导 非均质凝结 湿蒸汽两相流 蒸汽透平
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK261
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-9
• 符号表9-18
• 第1章 绪论18-30
• 1.1 课题来源18
• 1.2 研究的目的和意义18-19
• 1.3 湿蒸汽流热力学损失控制方法19-28
• 1.3.1 通流设计19-23
• 1.3.2 异质核化23-26
• 1.3.3 电场诱导26-28
• 1.4 本文主要研究内容及章节安排28-30
• 第2章 凝结流动模型30-75
• 2.1 引言30
• 2.2 凝结理论研究30-50
• 2.2.1 经典均质成核理论31-39
• 2.2.2 非均质成核理论研究39-47
• 2.2.3 Hill水滴生长模型介绍47-50
• 2.3 两相流动瞬态体积平均守恒方程组50-58
• 2.3.1 连续方程51-52
• 2.3.2 动量方程52-55
• 2.3.3 能量方程55-56
• 2.3.4 液滴数控制方程56-58
• 2.4 两相流动雷诺时均方程组58-60
• 2.5 两相流动湍流模型60-64
• 2.5.1 气相雷诺应力方程60-61
• 2.5.2 气相湍流模型及液相湍流粘性系数的确定61-64
• 2.6 气体状态方程和热力学参数64-66
• 2.6.1 气体状态方程64-65
• 2.6.2 热力学参数65-66
• 2.7 均质-非均质凝结流动仿真实现66-70
• 2.7.1 湿蒸汽热力学参数求解67-68
• 2.7.2 凝结流场液相参数求解68-69
• 2.7.3 凝结流场气相参数求解69-70
• 2.8 数值模型验证70-74
• 2.8.1 均质凝结模型验证70-72
• 2.8.2 非均质凝结模型验证72-74
• 2.9 本章小结74-75
• 第3章 喷管内高速膨胀湿蒸汽中均质/非均质凝结流动研究75-113
• 3.1 引言75
• 3.2 喷管中的均质凝结流动75-80
• 3.2.1 均质凝结计算方案75-76
• 3.2.2 典型工况流场分析76-80
• 3.3 典型工况下均质/非均质凝结流动80-106
• 3.3.1 无电荷影响时的均质/非均质凝结流动80-91
• 3.3.2 微粒带电时的均质/非均质凝结流动91-106
• 3.4 高浓度下的高电量、微尺寸微粒均质/非均质凝结多工况分析106-111
• 3.4.1 分组一均质/非均质凝结研究106-108
• 3.4.2 分组二均质/非均质凝结研究108-110
• 3.4.3 分组三均质/非均质凝结研究110-111
• 3.5 本章小结111-113
• 第4章 考虑电荷效应的非均质凝结对透平叶栅中湿蒸汽流动的影响113-137
• 4.1 引言113
• 4.2 带电微粒对动叶湿蒸汽流动的影响113-125
• 4.2.1 无带电微粒影响时的凝结流场113-120
• 4.2.2 有带电微粒影响时的凝结流场120-125
• 4.3 带电微粒对静叶湿蒸汽流动影响125-132
• 4.4 带电微粒对透平级湿蒸汽流动影响132-136
• 4.5 本章小结136-137
• 第5章 电离子诱导凝结对透平叶栅中非平衡凝结流动的影响137-149
• 5.1 引言137
• 5.2 计算网格及计算边界条件137-139
• 5.3 均质凝结-离子诱导凝结流场对比139-147
• 5.4 本章小结147-149
• 结论149-151
• 参考文献151-159
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果159-161
• 致谢161-162
• 个人简历162

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