本文關鍵詞：電荷作用對濕蒸汽流中非均質凝結影響研究

  更多相關文章： 電荷誘導 非均質凝結 濕蒸汽兩相流 蒸汽透平

【摘要】：電荷作用能夠強化水蒸汽在低過飽和度下的傳質效果,這一觀點最早在Wilson云霧室實驗中得到證實。眾所周知,透平內蒸汽流動中的相變傳質主要以自發(fā)凝結(非平衡凝結)為主,由于成核發(fā)生時過飽和度較高,這一過程帶來較為顯著的熱力學損失及流動問題。當蒸汽中存在雜質顆粒時,蒸汽分子將以顆粒為核心發(fā)生非均質凝結,因而能夠降低成核所需的過飽和度,但這一作用也會隨著微粒尺寸減小而下降。將電荷與雜質顆粒相結合,依靠電荷作用進一步強化非均質凝結時的傳質效果,可能成為一種用于汽輪機中降低過飽和度、抑制自發(fā)凝結的新型途徑。目前,關于這一新型凝結控制手段的研究非常少,建立一種適用于微粒帶電時的非均質凝結流動模型,進而討論電荷作用對均質/非均質凝結過程的具體影響機理,對于降低汽輪機損失、提高效率具有較為重要的理論指導意義和實際應用價值。首先,基于Fletcher的冠狀成核理論,將非均質成核自由能分為狀態(tài)變化產(chǎn)生的自由能以及表面變化產(chǎn)生的自由能等兩部分,單獨討論了兩部分的計算方法。根據(jù)系統(tǒng)廣義內能定義,討論了氣、液系統(tǒng)在靜電場影響下不同范圍內的電位移以及靜電能計算,從而給出微粒帶電時的成核自由能計算公式。針對帶電時的成核臨界半徑分析則表明,當微粒半徑較大或者帶電量較小時,可以用Kelvin半徑代替電荷作用下誘導成核臨界半徑來計算成核自由能。結合流動型云霧室已有實驗結果,針對有、無電荷影響下的成核率公式進行了驗證,其計算結果與實驗結果吻合較好,兩者之間存在誤差的主要原因為實驗中微粒尺寸及帶電量的不均勻性。其次,基于體積平均的概念,對均質/非均質凝結同時存在時的濕蒸汽流動雙流體模型進行了詳細推導,討論了適用于濕蒸汽流動的蒸汽熱力學參數(shù)計算方法,并基于已有的實驗結果,對此雙流體模型在均質凝結流動以及非均質凝結流動中的可靠性分別進行了驗證。均質凝結的流場計算結果與實驗結果相比最大誤差不超過8%,非均質凝結流場中壓力分布與實驗測量結果基本吻合,計算與實驗最大偏離出現(xiàn)在溫度(過冷度)分布上,相對誤差約為5.45%,可以認為本文的雙流體模型對于均質凝結流動以及非均質凝結流動的模擬符合真實物理情況,數(shù)值模擬結果具有較高的可信度。第三,針對均質凝結、非均質凝結以及電荷作用下誘導凝結等三種凝結模式下Moses噴管內濕蒸汽流動進行了數(shù)值模擬。研究表明,微粒濃度對于非均質凝結具有決定性影響,濃度增加將直接提高非均質凝結過程傳質總量,因而對隨后發(fā)生的均質凝結抑制作用增加,甚至有可能完全抑制均質凝結的發(fā)生。微粒尺寸對非均質凝結的影響則分為兩方面。一方面,微粒尺寸越大非均質成核率越高,相應地蒸汽中的非均質成核液滴數(shù)能夠在較短時間內達到更高量級。另一方面,微粒尺寸越小,包裹微粒的液滴生長速度將更快。微粒帶電后能夠進一步提高微粒表面的非均質成核速率,但這一效果還將受到微粒尺寸的影響,具體表現(xiàn)為微粒尺寸越大,電荷作用越弱。此外,依次對蒸汽透平動葉、靜葉以及透平級內均質凝結以及電荷作用下誘導凝結流場進行了對比分析。結果表明,盡管傳質過程發(fā)生較均質凝結過程更早,電荷作用下誘導凝結模式下流場出口濕度并未增加。Bakhtar葉柵以及White葉柵出口濕度均明顯低于均質凝結時的計算結果,VKI-1透平級出口處濕度在兩種凝結模式下雖比較接近,但均質凝結模式下數(shù)值上仍更高。同時,兩種凝結模式下的流場過冷度存在顯著差別,電荷作用下誘導凝結中流場過冷度峰值更低,Bakhtar葉柵、White葉柵、VKI-1透平級在入口加入高濃度帶電微粒之后,過冷度峰值與均質凝結相比改善程度均在20K以上,并且電荷作用下誘導凝結流場大部分區(qū)域過冷度均維持在10K以下,基本接近于平衡狀態(tài)。熵分析結果表明,電荷作用下誘導凝結與均質凝結相比流場最大熵增在Bakhtar葉柵、White葉柵以及VKI-1透平級中分別下降5%、22.68%、23.2%。另外,與均質凝結時相比,電荷作用下誘導凝結流場中葉柵內氣流偏轉能力有所提升。最后,對某真實汽輪機末級靜葉內濕蒸汽兩相流動進行了研究。分析了在入口加入電離子前后的兩相凝結流場變化。與均質凝結時相比,離子誘導凝結模式下葉片負荷整體向尾緣遷移,抑制了流道上端壁葉片吸力面靠近出氣邊附近的流動分離現(xiàn)象。離子誘導凝結同樣能夠在不增加出口濕度前提下降低流場過冷度,但與微粒帶電時的非均質凝結相比其改善作用有所下降。另外,離子誘導凝結還有助于改善葉柵中的流動特性并降低流動損失。
【關鍵詞】：電荷誘導 非均質凝結 濕蒸汽兩相流 蒸汽透平
【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】：TK261
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-9
• 符號表9-18
• 第1章 緒論18-30
• 1.1 課題來源18
• 1.2 研究的目的和意義18-19
• 1.3 濕蒸汽流熱力學損失控制方法19-28
• 1.3.1 通流設計19-23
• 1.3.2 異質核化23-26
• 1.3.3 電場誘導26-28
• 1.4 本文主要研究內容及章節(jié)安排28-30
• 第2章 凝結流動模型30-75
• 2.1 引言30
• 2.2 凝結理論研究30-50
• 2.2.1 經(jīng)典均質成核理論31-39
• 2.2.2 非均質成核理論研究39-47
• 2.2.3 Hill水滴生長模型介紹47-50
• 2.3 兩相流動瞬態(tài)體積平均守恒方程組50-58
• 2.3.1 連續(xù)方程51-52
• 2.3.2 動量方程52-55
• 2.3.3 能量方程55-56
• 2.3.4 液滴數(shù)控制方程56-58
• 2.4 兩相流動雷諾時均方程組58-60
• 2.5 兩相流動湍流模型60-64
• 2.5.1 氣相雷諾應力方程60-61
• 2.5.2 氣相湍流模型及液相湍流粘性系數(shù)的確定61-64
• 2.6 氣體狀態(tài)方程和熱力學參數(shù)64-66
• 2.6.1 氣體狀態(tài)方程64-65
• 2.6.2 熱力學參數(shù)65-66
• 2.7 均質-非均質凝結流動仿真實現(xiàn)66-70
• 2.7.1 濕蒸汽熱力學參數(shù)求解67-68
• 2.7.2 凝結流場液相參數(shù)求解68-69
• 2.7.3 凝結流場氣相參數(shù)求解69-70
• 2.8 數(shù)值模型驗證70-74
• 2.8.1 均質凝結模型驗證70-72
• 2.8.2 非均質凝結模型驗證72-74
• 2.9 本章小結74-75
• 第3章 噴管內高速膨脹濕蒸汽中均質/非均質凝結流動研究75-113
• 3.1 引言75
• 3.2 噴管中的均質凝結流動75-80
• 3.2.1 均質凝結計算方案75-76
• 3.2.2 典型工況流場分析76-80
• 3.3 典型工況下均質/非均質凝結流動80-106
• 3.3.1 無電荷影響時的均質/非均質凝結流動80-91
• 3.3.2 微粒帶電時的均質/非均質凝結流動91-106
• 3.4 高濃度下的高電量、微尺寸微粒均質/非均質凝結多工況分析106-111
• 3.4.1 分組一均質/非均質凝結研究106-108
• 3.4.2 分組二均質/非均質凝結研究108-110
• 3.4.3 分組三均質/非均質凝結研究110-111
• 3.5 本章小結111-113
• 第4章 考慮電荷效應的非均質凝結對透平葉柵中濕蒸汽流動的影響113-137
• 4.1 引言113
• 4.2 帶電微粒對動葉濕蒸汽流動的影響113-125
• 4.2.1 無帶電微粒影響時的凝結流場113-120
• 4.2.2 有帶電微粒影響時的凝結流場120-125
• 4.3 帶電微粒對靜葉濕蒸汽流動影響125-132
• 4.4 帶電微粒對透平級濕蒸汽流動影響132-136
• 4.5 本章小結136-137
• 第5章 電離子誘導凝結對透平葉柵中非平衡凝結流動的影響137-149
• 5.1 引言137
• 5.2 計算網(wǎng)格及計算邊界條件137-139
• 5.3 均質凝結-離子誘導凝結流場對比139-147
• 5.4 本章小結147-149
• 結論149-151
• 參考文獻151-159
• 攻讀博士學位期間發(fā)表的論文及其它成果159-161
• 致謝161-162
• 個人簡歷162

【相似文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 邱柱國;非均質透射旋轉角[J];成都地質學院學報;1986年04期

2 欒茂田,金崇磐,林皋;非均質堤壩振動特性簡化分析[J];大連理工大學學報;1989年04期

3 張勇,G.E.Fogg;多尺度非均質多孔介質模擬及參數(shù)靈敏度分析[J];中國科學E輯:技術科學;2003年09期

4 周叮;;非均質變截面彈性直桿橫向振動自主頻率的漸近解法[J];強度與環(huán)境;1989年01期

5 許仲生;;非均質各向異性閘壩基礎三向滲流研究[J];人民長江;1986年07期

6 梁煥文;關于非均質形核問題的探討[J];武漢水利電力大學學報;1994年01期

7 于生云;;保持油藏非均質性粗化方法[J];科學技術與工程;2011年08期

8 汪泰仁;;磚瓦開裂的解決方法[J];建筑材料工業(yè);1957年01期

9 韓再生;;垂向非均質含水層中的宏觀彌散[J];工程勘察;1989年06期

10 張培軍，，戴宗，楊錦林;非均質油藏數(shù)值模擬的網(wǎng)絡自動剖分[J];成都理工學院學報;1996年S1期

中國重要會議論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 李磊;劉啟元;陳九輝;李順成;郭飚;;汶川地震前川西地區(qū)介質非均質性的時變特征[A];中國地球物理2013——第十五專題論文集[C];2013年

2 劉伯然;宋海斌;黃興輝;拜陽;;利用地震海洋學資料對南海海水層非均質性的研究[A];中國地球物理學會第二十七屆年會論文集[C];2011年

3 錢昌吉;高國良;鐘瑞;李洪;;非均質基底表面團簇生長的周期性研究[A];第六屆中國功能材料及其應用學術會議論文集（6）[C];2007年

4 孫偉家;符力耘;;高壓帶非均質分析與鉆井對比研究-以北澳大利亞為例[A];中國地球物理2013——第十五專題論文集[C];2013年

5 劉可禹;黃秀;;沉積體系非均質性對致密油氣成藏控制及其定量評價方法[A];中國礦物巖石地球化學學會第14屆學術年會論文摘要專輯[C];2013年

6 邢光龍;劉曼芬;楊善穗;;高頻等參數(shù)感應(VIKIZ)測井資料的二維非均質及演[A];中國地球物理.2003——中國地球物理學會第十九屆年會論文集[C];2003年

7 高福平;;有限厚度非均質海床對非線性波浪響應的有限元模擬[A];2003年度海洋工程學術會議論文集[C];2003年

8 王蕓;吳信寶;;微球聚焦測井儀非均質K值的研究[A];1992年中國地球物理學會第八屆學術年會論文集[C];1992年

9 薛齊文;;偶應力參數(shù)識別的正則化解[A];中國力學學會學術大會'2009論文摘要集[C];2009年

10 楊小波;魏生祥;林承焰;;孤島油田南區(qū)B19斷塊Ng3-6儲層非均質定量表征[A];2002低滲透油氣儲層研討會論文摘要集[C];2002年

中國重要報紙全文數(shù)據(jù)庫 前2條

1 涂興萬;辨析非均質 開發(fā)求高效[N];中國石化報;2010年

2 王鵬飛邋康紅兵;措施提液增油效果好[N];中國石化報;2007年

中國博士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前2條

1 崔可;電荷作用對濕蒸汽流中非均質凝結影響研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2016年

2 馬雷;非均質多孔介質多尺度模型及其在地下水模擬中的應用[D];合肥工業(yè)大學;2013年

中國碩士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前8條

1 劉登峰;黃原膠強化傳輸多硫化鈣修復鉻（Ⅵ）污染非均質含水層研究[D];吉林大學;2016年

2 劉科;層狀與非均質巖體中隧道圍巖變形和襯砌結構力學特性研究[D];西南交通大學;2016年

3 孫芳玲;非均質與非線性問題的間接邊界元分析[D];山東理工大學;2016年

4 李洋;含油氣泥頁巖層非均質性評價方法研究[D];東北石油大學;2015年

5 曹碧波;基于交叉小波分析的山西省娘子關泉域含水層非均質性識別研究[D];天津師范大學;2013年

6 高曉紅;多尺度有限元法在非均質多孔介質地下水流問題的應用[D];中國海洋大學;2014年

7 張弛;結合升尺度方法的地下水污染物遷移研究[D];上海交通大學;2014年

8 許多;非均質氣藏AVO反演及含氣性判別方法技術研究[D];成都理工大學;2002年

本文編號：923092