汽轮机叶片级联的计算数值模型和相关边界条件研究

修亚男

摘要：描述分散相总体的动量方法是矩量法，采用矩量法中的液滴尺寸分布函数方程。该方法利用尺寸分布密度的下阶矩来描述液滴的生长和成核过程。该方法的优点是只求解了少量的液滴尺寸矩的输运方程，而不是在方法中处理大量的输运方程，分解成分数。

关键词：汽轮机;叶片;数值模型

0  引言

在本论文中，表示网格研究和验证之后，将多分散模型与单分散模型进行了比较。描述分散总体的动量方法是矩量法，采用矩量法中的液滴尺寸分布函数方程。该方法利用尺寸分布密度的下阶矩来描述液滴的生长和成核过程。该方法的优点是只求解了少量的液滴尺寸矩的输运方程，而不是在方法中处理大量的输运方程，分解成分数。这些方法在二维和三维计算中是最实用的。但是，所涉及的近似在处理实际冷凝流动中可能发生的宽尺寸分布时会导致一些不准确的结果。通过对液滴生长速率的泰勒级数近似，在处理这种分布方面取得了一些改进，但只有在液滴尺寸保持较小的情况下才会这样做。动量法最大的缺点是它不能显示出在成核区的任何位置产生的液滴对湿蒸汽流的影响。本文的作者认为，形核区的几何划分可以用于液滴的分组。用几何除法，计算的次数可以减少，可用于二维和三维几何形状。这种方法可以看到在成核区的每个位置产生的液滴对湿蒸汽流的影响。在单分散模型中，进行了质量平均整个成核区，使有核液滴的半径和生长的液滴的半径相等。在所提出的方法中，为了减少时间消耗，每组只提供几次质量平均过程，然后，每组继续增长。

声波升压乘以速度升压的综合效应是整体喷射器压缩比。笔者看到的比率，高达12：1的很少，更常见的压缩比大约是8：1。声波助推器的丢失通常有各种各样的原因，当这种情况发生时，喷射器它一直发出响亮的声音，转而会突然变得更安静。也会导致真空的突然丧失。由于动力蒸汽从蒸汽喷嘴排出，蒸汽最好以最大速度移动。因为蒸汽的速度是压缩真空塔或表面冷凝器关闭气体，而不是它的压力或温度，而是速度总是需要最大化。故障，如蒸汽喷嘴的侵蚀、喷嘴中的硬度沉积、低动力蒸汽压力也会降低动力蒸汽的喷嘴出口速度进入喷射器的混合室，当结合的气体加动力蒸汽流入扩散器的汇聚部分时，我们希望蒸汽以最大速度移动，这样我们就能达到声波速度扩散器喉部或之前的位置。如果没有，音速提升就会失去。来自扩散器发散部分的背压，以及低扩散器入口速度，都会降低扩散器喉部的蒸汽速度。当蒸汽流经扩散器的发散部分时，我们希望蒸汽从下游冷凝器中遇到最小的背压。如果排气从扩散器流出的流量确实遇到过大的背压，然后背压将被传送回扩散器喉道。这将不会对喷射器的整体压缩比有很大的影响，除非扩散器喉部的速度低于声速。表面冷凝器或真空塔中的压力将以最令人震惊的方式跳跃。通常导致扩散器排气压力过大的因素是向下游冷凝器流动的较温暖的冷却水、冷凝器的污垢、密封腿或凝结水备份泵，下游喷射器中声波升压的损失、下游喷射器排放的冷凝器问题、扩散器本体上的空气泄漏以及许多其他可能的问题。然后，除了上述引起声速提升损失的问题外，还有动力蒸汽问题，如蒸汽热度过高、动力蒸汽压力过大、动力蒸汽预过低，空气泄漏，夹带液体，过度破裂的气体，相互连接管道的摩擦损失，以及许多其他问题的可能性。

在考虑真空射流的性能时，必须首先考虑射流的整体压缩比。要计算射流的压缩比。这是一个两级压缩机，没有移动部件。压缩机第一级为汇聚段，第二阶段为分歧段。每一节开发一个单独的压缩比。按压缩比，指出口压力除以进口压力。

这些是在蒸汽负荷、排放压力和最佳动力蒸汽条件的设计参数范围内正常工作的射流的典型设计值。该领域任何单一蒸汽射流都发展出10：1的压缩比。当高速蒸汽进入扩散器入口时，它开始压缩进入混合室的不凝性蒸汽。不可压缩气体流入混合室的原因与任何气体流入任何压缩机的吸力相同。它流向扩散器的入口，因为气体从较高压力的个区域到较低压力的区域。当动力蒸汽进入扩散器入口时，将其加速到声速所需的动能来自：蒸汽的压力、蒸汽的温度、蒸汽的潜热。这意味着当动力蒸汽从蒸汽喷嘴逸出时，它会冷却，也会部分凝结。因此，有水滴吹入扩散器是正常的。音速应该达到。如果发生这种情况，据说射流处于临界流动状态。要获得声速提升，速度必须高于声速。随着速度的增加，声波升压压缩比不会增加。然而，如果这个速度低于速度的声音，声波升压压缩是立即和完全失去。它可以将流动的蒸汽和不可凝结物的组合压缩四到一倍。要获得声速提升，速度必须高于声速。随着速度的增加声波升压压缩比不增加。然而，如果这个速度低于声速，声波升压压缩就会立即完全失去。射流的汇聚段已停止压缩气体。动能的减少转化为压力。把这种速度转换成压力，叫做“速度膨胀。它可以将流动的蒸汽和不可凝结物的组合压缩两到三倍。速度提升从未完全丧失。它随蒸汽压力、蒸汽负荷和冷凝器背压的变化而变化。但它总是在一定程度上压缩气体。速度提升基本上是第二阶段，更小的阶段，两级压缩机，没有移动部件。当射流“断裂”时，速度提升继续工作，即使声波提升已经完全停止。

产生由成核现象引起的液滴，这些液滴在第一组中产生由成核现象引起的液滴。在第二控制体积中，一些液滴是由成核现象产生的。一些液滴是由成核现象产生的。形核区的几何划分可以基于高度、长度或其他方法。形核区的几何划分应该具有这样的特征，即质量平均数之间的有核液滴和每组生长的液滴必须很少。目标多分散模型的计算时间与叶片和噴嘴的单分散模型相差不大。如果使用一个芯进行处理，则多分散模型计算时间约为单分散模型的1.5倍。在多分散方法中，液相和蒸汽相之间建立连接：

1ρ=1-∑yiρv∑yiρli（1）

h=1-∑yihv（2）

总液体质量分数等于基团的液体质量分数之和，由方程得到。y=∑yi第i组的液滴半径如下ri=（3yi4πρlini）1/3。为了与单分散模型进行比较，所有组都需要一个平均半径，每个液滴组的温度是从方程中得到的。

1  数值模型

计算了均匀两相混合、动量和能量的方程。本文测试了20个液滴群，用单液体法求解液体质量分数的罗普尔特和20关系。在这个模型中，液体的速度等于蒸汽的速度。在大多数研究中，这个德尔已经被使用了。所有液滴群的速度等于蒸汽速度，蒸汽与液相之间的速度滑移是被忽视的。涡轮叶片内流场中的引力可以忽略不计。液相和蒸汽相的压力被认为是相等的。湍流粘度等于：μT=ρCμk2εwhere，k是湍流動能，ε是湍流耗散率，Src是源项，Ψ是湍流数，μT是湍流粘度和Cμ是一个粘度相关常数，值在0.0845到0.09之间。

2  状态方程

在工业设备设计中，需要利用状态方程和合适的性能。在汽轮机中，热力学性质过冷蒸汽对成核率和液滴生长有影响。在目前的研究中，利用状态方程的二阶系数来估计低压流动中的蒸汽特性。P=ρvRTv（1BρvCρv2），其中B和C是病毒。本文的系数是从利用状态方程的系数来估计低压流动中的蒸汽性质。P=ρvRTv（1BρvCρv2），其中B和C是从系数中获得的。

3  均质冷凝模型

从方程中估计了过饱和度比和超冷却程度。通过时间大量液滴成核和生长，两相流动将回到平衡条件。在这些条件下液滴形成的过程被称为均匀成核。为了提供成核，分子团簇应控制临界自由能，形成具有临界半径的液滴，形成球形液滴。ΔG=4πr2σr-mRTvln（PPS（Tv），其中σr是与平板表面应力相等的表面应力。对于每个过冷单相蒸汽，吉布斯自由能的变化有一个最大点。该点对应的半径被命名为临界半径，它被称为开尔文-赫尔姆霍兹方程，它决定了在任何过饱和度比下处于亚稳平衡的液滴尺寸。表示TH的经典成核方程。用Eq表示液滴产生速率的稳态分布，每个蒸汽质量单位的临界半径为时间。Jclass=qc2σrπmm-3/2ρvρlexp（-4πr*2σr3KbTv）whereqc是缩合系数，kb是玻尔兹曼常数，m是分子的质量，r是i这是气体的常数。然后，对经典成核方程进行了不同的修正，包括在方程中使用的Kantrowitz修正。

J=11？覫Jclass，其中？覫是温度修正系数，？覫=2（γ-1）（γ1）hlvrtvhlvrtv-12，其中hlv和γ是冷凝和热容的潜热。在汽轮机流动中，也可以加入非均相成核形成的液滴。然而，这些液滴上的凝结量太小，无法影响主流的行为。因此，高速流动中凝结的主要机制是均匀成核。在本研究中，忽略了异质成核。Γ1，i=43πρliρr*3Ji（22）Γ2，i=4πρliρniri2drdti。Γ1i是从有核液滴中获得的质量源，Γ2i是从I组液滴生长中获得的质量源，是液滴生长CON，I=1ρliλvri-Tv）hlv（24）（drdt）HK，i=1ρliP2πR（1Tv-1Tli）（25）1（drdt）i=1（drdt）CON，i1（DRDT）。

4  侵蚀率

液滴与涡轮叶片碰撞是产生侵蚀和机械损伤的原因。在目前的研究中，Lee等人的模型用来估计侵蚀，这个模型是用液滴流动的碰撞速率、液滴碰撞速度、液滴尺寸和材料硬度表示，并将其写成：Er=ke（mlmref）（VlVref）5.1（ddref）β10γ，其中ke是腐蚀常数，γ是硬度常数，HV是依赖于叶片材料的硬度值，ml是液滴流量，Vl是液滴速度，d是液滴直径。

5  冷凝损失

当水滴成核和生长时，蒸汽的热力学和动力学性质发生变化，蒸汽工作能力降低。这些变化被称为湿度损失及其计算是重要的。冷凝损失是由于蒸汽分子凝结而产生的损失液滴表面。当发生成核现象时，液滴表面的蒸汽分子凝结，液滴生长。凝结过程是一个不可逆的过程，也会产生损失。lq=hlv（ml，out-ml，in）qc，其中qc是缩合系数;lq是缩合损失;ml，out是出口液体质量流量;ml，in是入口液体流量质量流量。

6  解决方案

数值模拟是基于有限体积法求解控制方程。采用二维雷诺平均方程进行数值模拟，可压缩、粘性、湍流和稳态流动，还实现了单流体多相地层。采用基于密度、隐式和二阶迎风离散化方案质量、动量、能量和液滴群方程。为了离散对流项提出了一种基于通量差分格式的方法。本研究中表示成核率计算的流程图，由凝聚液滴的成核和质量产生的液滴的质量。每组20个液滴组，考虑到成核区提供的分裂，计算了各组的值。利用第一组中的液滴温度估算了第一组的熵和焓。第一组的半径是用方程得到的。利用第一组中的液滴温度发现第一组中的液滴生长。用于计算第一组中的凝聚液滴质量，然后对每组2至20重复所有上述计算。

7  结果和讨论

在本节中，在表示网格研究和验证之后，将多分散模型与单分散模型进行了比较。多分散模型有助于不同尺寸的液滴形成，当发生非平衡凝结时，它为半径创造了一个范围，在这种情况下侵蚀现象和凝结损失涡轮叶片将被完全评估。

参考文献：

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