本文關(guān)鍵詞：Euler方程S2流面計算方法及透平內(nèi)蒸汽自發(fā)凝結(jié)流動數(shù)值研究

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【摘要】：電力工業(yè)是國民生產(chǎn)的支柱產(chǎn)業(yè),為經(jīng)濟社會的持續(xù)快速發(fā)展提供了有力支撐,而占發(fā)電總裝機容量80%左右的火電和核電是我國發(fā)電行業(yè)主體這一現(xiàn)象必將長期存在。作為火電廠和核電廠中將熱能轉(zhuǎn)換為機械能的關(guān)鍵裝置,蒸汽透平對電廠正常、高效運行具有重要影響。提高透平整機效率不僅會帶來極大的經(jīng)濟效益,在降低煤耗、減少排放等方面也都具有顯著收益;由于低壓級是限制透平做功能力和效率提高的重要部件,因此,開展對于低壓透平中濕蒸汽兩相凝結(jié)流動的相關(guān)研究具有重要意義。為獲得快速、可靠的濕蒸汽流動特性計算方法,首先完善了一種基于Euler方程并可有效考慮葉片厚度及三維空間幾何影響的快速求解流道中心S2流面氣動參數(shù)的計算方法。在任意正交曲線坐標系中詳細推導了適用于S2流面計算方法的Euler控制方程及方程中各項的表達形式、計算方法,結(jié)合非守恒型變量的隱格式時間差分、迎風近似因子分解格式和三階精度TVD差分格式進行求解,還應用Riemann求解器處理網(wǎng)格交界面處參數(shù)不連續(xù)的現(xiàn)象。提出了一種分別利用二次函數(shù)和指數(shù)函數(shù)表示葉柵出口渦核損失和附面層損失的二次流損失模型,將該模型與M-B模型結(jié)合并應用于S2流面計算方法。對帶弧形凸起流道、Mason Laval噴管、某直列葉柵和某一級半低壓透平內(nèi)流動的計算結(jié)果表明,本文的S2流面計算方法對亞音速、跨音速和超音速流動均有較好的預測能力,對間斷流場流動參數(shù)捕捉能力較為可靠,數(shù)值計算精度較高,能夠合理計算多級透平氣動性能參數(shù)及其分布,為透平氣動設(shè)計和性能評估提供了速度快、精度高的計算工具。其次,結(jié)合“理想蒸汽”模型、“IF97表格”模型和“Young方程”模型等三種蒸汽物性計算模型發(fā)展了考慮平衡態(tài)濕蒸汽流動的S2流面計算方法。分別利用三種模型制作了局部Mollier圖以校驗三種模型對不同狀態(tài)下蒸汽物性的計算精度,對比發(fā)現(xiàn)“IF97表格”模型和“Young方程”模型對過熱蒸汽和濕蒸汽物性參數(shù)計算結(jié)果基本一致,而“理想蒸汽”模型對預估h-s曲線之外(尤其是濕蒸汽區(qū))參數(shù)計算誤差較大。對某單級過熱蒸汽透平和某一級半濕蒸汽透平內(nèi)流動的計算結(jié)果表明,三種模型對過熱蒸汽透平計算結(jié)果較為相近,應用“理想蒸汽”模型計算耗時最少,但其對濕蒸汽透平氣動總性能參數(shù)和流場參數(shù)計算誤差較大,“IF97表格模型”和“Young方程”模型對氣動參數(shù)計算誤差較小,為蒸汽透平初步設(shè)計時快速、可靠地計算透平宏觀性能參數(shù)提供了有效的方法。再次,基于Eulerian/Eulerian多相流模型、二階NND差分格式、FVS形式的Van Leer格式、“Young方程”物性計算模型、修正的經(jīng)典成核理論等建立了考慮蒸汽自發(fā)凝結(jié)兩相流動的S2流面計算方法。在Laval噴管流動計算中,通過對凝核速率計算式中的自由能障項添加修正函數(shù)使得蒸汽凝核發(fā)生位置提前、凝核強度增加,從而獲得了與實驗數(shù)據(jù)吻合良好的計算結(jié)果。將上述考慮蒸汽自發(fā)凝結(jié)流動的非平衡態(tài)濕蒸汽計算模型及濕汽損失計算方法應用于某三級低壓蒸汽透平流動特性預測中,并與分別采用純氣相、平衡態(tài)濕蒸汽方法的模擬結(jié)果進行對比。結(jié)果表明,與平衡態(tài)濕蒸汽計算結(jié)果相比,在非平衡態(tài)濕蒸汽流動計算中考慮過冷度的影響,蒸汽濕度出現(xiàn)位置明顯延后;非平衡態(tài)蒸汽模型計算得到的過飽和蒸汽區(qū)流動參數(shù)較低,而不同模型對濕蒸汽區(qū)參數(shù)的預測結(jié)果差異較小;受出口背壓限制,非平衡態(tài)蒸汽方法計算所得末列動葉載荷有所升高。此外,蒸汽透平中濕汽損失較為明顯,其中凝結(jié)損失、過飽和損失和制動損失尤為顯著。最后,利用一種基于正弦函數(shù)的非對稱端壁造型方法研究了非對稱端壁造型對蒸汽葉柵內(nèi)氣動參數(shù)和蒸汽凝結(jié)特性的影響。通過對Moses-Stein噴管和White葉柵內(nèi)自發(fā)凝結(jié)濕蒸汽兩相流動的模擬進一步驗證了對凝核速率計算公式修正的效果及精度,并令端壁翹曲峰值為5%葉高,將一種基于正弦函數(shù)的非對稱端壁造型方法應用于White葉柵端壁造型以考查其對蒸汽透平葉柵中氣動性能和凝結(jié)特性的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn),峰值軸向位置前置的非對稱端壁造型對柵內(nèi)氣動參數(shù)和凝結(jié)參數(shù)影響較小;峰值軸向后置時可有效抑制流道內(nèi)端區(qū)附近吸力面?zhèn)鹊恼羝爽F(xiàn)象,但在角區(qū)增大的逆壓梯度導致產(chǎn)生顯著的流動分離,局部氣動損失有所增加;峰值位于50%軸向弦長位置時的非對稱端壁對柵內(nèi)流動損失和端區(qū)蒸汽凝結(jié)強度均有較好的抑制作用,為改善蒸汽透平內(nèi)氣動性能和控制端區(qū)附近蒸汽凝結(jié)現(xiàn)象等提供了較好的基礎(chǔ)。
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TK14

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