湿蒸汽两相流动的数值方法及其在喷管中的应用

针对在高维情况下存在自发凝结的湿蒸汽两相流动数值模拟,回顾了当前湿蒸汽两相流计算的概况,在此基础上给出了守恒型的两相流流动控制方程组及数值求解方法,对二维喷管中存在自发凝结的跨音速两相流动进行了数值分析,结果表明,计算可准确地预测喷管中自发凝结发生的位置,反映边界层影响膨胀率,从而引起喷管中冷度及相应水滴状态分布的不均匀,计算也显示了凝结流动与单相流动马赫数分布的显著差异,为研究透平叶栅中的湿蒸汽两相凝结流动奠定了基础。     

湿蒸汽中超临界加热引起的非定常凝结流动一维数值分析

缩放喷管湿蒸汽两相凝结流中,凝结潜热对超音速气流加热使流动变为音速的加热量称为临界加热量.远大于临界加热量的凝结潜热对气流加热将导致喷管中产生不稳定的气动激波.文中采用时间推进方法,对喷管中超临界加热引起的非定常凝结流动现象进行了一维数值分析,并对计算的凝结流动波动周期和压力振幅与实验值作了比较.研究发现进口过冷度对非定常凝结流动特性有主要影响,而且在一定进口过冷度下,不稳定凝结流动的频率和压力振幅都存在极值;同时进口压力对不稳定凝结流动特性也有一定影响.     

汽轮机中湿汽损失的定量计算

为了提高湿汽损失的计算精度,在湿蒸汽非平衡凝结流动计算结果的基础上,采用Fortran语言发展了湿汽损失的定量计算程序,即利用多级透平内湿蒸汽非平衡凝结流动的三维计算方法获得各透平级的气动参数和一次水滴的三维分布,再对三维计算结果进行周向平均,从而获得了圆柱坐标系下子午面内的流场参数,并以此为基础进行湿汽损失的定量计算。对某核电汽轮机低压缸中的湿汽损失进行了分析,结果表明:湿汽损失中热力学损失主要产生于发生非平衡凝结的中间级和末级;水滴阻力损失在末级中较大,其余各级中较小;制动损失沿着流动方向逐级增加,是湿汽损失最主要的组成部分;疏水损失及离心损失在湿汽损失中所占比例较小;总的湿汽损失占该核电汽轮机低压缸总功率的3.1%。与Baumann公式3.9%的计算结果相比,该定量计算得到的湿汽损失更小,定量计算方法可为核电汽轮机的设计和优化提供参考。     

汽轮机初始湿蒸汽级的不平衡两相流

本文提出一种采用自发凝结成核理论进行汽轮机初始湿蒸汽级圆柱面轴对称不平衡湿蒸汽流动数值计算方法。以一台国产汽轮机的初始湿蒸汽级为例,得到不同半径上不平衡流气动热力参数的变化规律;分析了该级中不平衡两相流动的特点及其对级特性的影响:指出了改进湿蒸汽透平级工程热力计算方法的途径。     

汽轮机缝隙抽湿式隔板中的水份运动特性

本文计算并分析了湿蒸汽汽轮机级隔板中大分散度水份的尺寸分布、运动特性及沉积位置。利用平板上的气-水膜两相流试验装置,研究了流动参数对沉积水份流动形式的影响,并测定了壁面上抽湿缝隙的去湿率与抽吸压差、缝隙宽度、汽流切应力及水膜雷诺数等参数的关系.     

SST k-ω-kp两相湍流模型及其在湿蒸汽凝结流动数值模拟中的应用

首先，建立了湿蒸汽凝结流动的双流体模型，考虑了湿蒸汽两相流动中相间的速度滑移、耦合以及湍流扩散作用的影响．然后，针对蒸汽透平叶栅中流动的湍流特性，在单相湍流计算中数值模拟精度相对良好的两方程SST k-ω湍流模型基础上，参照颗粒湍能输运方程理论，推导建立了SST k-ω-kp湿蒸汽两相流动湍流模型，模型中引入了液相黏性、导热及扩散系数等拟流体概念．对二维叶栅中存在自发凝结的湿蒸汽流动进行的数值模拟表明：建立的数值模型表现良好，明显优于单流体模型，特别是吸力面的压力分布模拟精度有很大提高，具有较高的精确性和可靠性．由于实验数据的匮乏，数值模拟中发现的汽液两相的动力特性以及液相的参数分布有待于进一步的实验来验证．     

湿蒸汽凝结流动过程湿度软测量模型

针对汽轮机末级湿蒸汽凝结流动过程湿度分布影响因素的复杂性和非线性,采用灰色关联分析方法对实验测得的质量中间半径、水滴数密度、蒸汽湿度与初压、进汽口温度、背压、尾部温度、水比容、汽比容的相互关系进行关联分析处理,确定影响因子之间的主次关系;并以影响湿蒸汽凝结流动过程湿度分布的主要因素的初压、进汽口温度、背压、尾部温度、水比容、汽比容等作为支持向量机网络的输入,建立湿蒸汽凝结流动过程支持向量机网络预测模型,结果表明:支持向量机网络预测湿度的最大相对误差小于9%,以初压、入口温度、背压、尾部温度、水比容、汽比容为输入的支持向量机网络具有较高的精度,可以很好地预测汽轮机末级湿蒸汽凝结流动过程的湿度分布。     

透平级中湿蒸汽均/异质凝结流动的数值方法

从物性计算、对流通量求解、非结构网格局部加密3个方面发展了Euler-Euler框架下湿蒸汽非平衡态均/异质凝结流动的数值方法。在对流通量方面,给出了真实物性下均、异质凝结共存时的Jacobi矩阵、Roe和AUSM+通量。在物性计算方面,提出了基于Taylor级数表(tabular Taylorseries expansion,TTSE)方法的3自由度湿蒸汽物性表,有效平衡了复杂状态方程下精度和计算量之间的矛盾,并在此基础上探讨了两种不同的水珠温度处理方法对模拟精度的影响。针对非平衡态凝结对网格密度较高的要求,开发的非结构有限体积求解器能方便地利用悬挂节点(hanging node)方法对凝结区网格进行局部加密。喷管和透平级均/异质凝结算例表明:该数值方法具有良好的精度和鲁棒性,能较好地反映均异质凝结的流动特点。     

湿蒸汽流经可调式临界流喷嘴的数值模拟

蒸汽热采过程往往采用临界流喷嘴对各分配支路的蒸汽流量进行控制,但是常规固定式临界流喷嘴存在注汽量难以调节的问题。针对该问题,设计了一种可调式临界流喷嘴,并利用数值模拟的方法对其应用于湿蒸汽临界流流量的调节和控制特性进行了研究。分析了入口蒸汽干度和压力、调节锥位移以及蒸汽凝结对可调式临界流喷嘴流场分布、临界背压比以及临界流量的影响。研究结论能够指导可调式临界流喷嘴结构优化设计,为注蒸汽热采过程中湿蒸汽的流量控制提供技术支持。     

饱和蒸汽在过冷液面瞬态凝结可视化实验

为了研究饱和蒸汽射入水中和在过冷液面的凝结特性,实验采用S270A型红外热成像仪取代了前期实验的热电偶,精确测出了CMT内蒸汽凝结过程的温度变化.根据实验结果发现热水层的再分层现象,并揭示热水层随时间的变化趋势.最后计算出有、无遮流板时的瞬态凝结换热系数;加遮流板时压力平衡前的凝结换热量占了总换热量的62%～76%,无遮流板时体换热系数最大达到了约70 000 W/(m3·℃).     

过饱和水蒸汽自发凝结现象实验装置的研制及实际流动Wilson点位置的确定

本文介绍了我国第一台用以研究过饱和水蒸汽自发凝结现象的拉伐尔喷管试验装置.阐述了它的设计思想、主要特性以及取得试验数据的基本方法.在试验基础上定量地提出了考虑喷管内的流动损失时Wilson点位置的确定方法.提供了关于出现过饱和水蒸汽自发凝结现象的湿蒸汽两相流的部分试验结果.     

注过热蒸汽井热力计算

以蒸汽压力和比焓作为求解变量,根据能量守恒和动量守恒建立井筒注过热蒸汽的热力计算模型,对井筒内分别采用普通油管和隔热油管两种工况进行注汽热力计算,并分析井内蒸汽热力参数分布情况。该模型将注过热蒸汽、湿蒸汽和注热水热力计算统一起来,克服了传统计算方法需要根据蒸汽在井中的相态切换求解变量和微分方程的缺点。结果表明,采用普通油管注过热蒸汽时,井内蒸汽一般会凝结变成气液两相流。计算结果与测试结果和文献结果的对比验证了所建计算模型和方法的可行性。     

末级透平对低压缸气动和凝结特性的影响

采用湿蒸汽非平衡凝结流动模型对某300 MW汽轮机末级透平改型的气动性能及低压缸总体气动和湿蒸汽凝结特性进行了对比研究,末级透平的单独计算结果表明:改型后末级透平的通流能力、功率和效率均有明显提高,余速损失明显降低.改型后的未级透平置于低压缸多级透平环境中的计算结果表明:低压缸的功率和效率分别提高了0.53％和0.47％,末级余速损失降低是低压缸性能提高的主要因素;末级透平改型不仅会影响末级的气动性能,而且会影响次末级的总焓降;改型后末级动叶沿叶高的过冷度降低了3～5 K,成核范围和成核率均明显减小,其余各级凝结特性的改变可以忽略;在低压透平改型中,末级可以独立对待,单独优化.     

蒸汽喷射泵举升稠油参数设计

应用气液两相流理论与传热学原理,建立了蒸汽喷射泵采油井井筒和油套环空中流体流动及传热耦合模型,以渐缩式喷嘴中蒸汽流动规律为基础,建立了以湿饱和蒸汽为动力液的喷射泵举升特性方程,应用节点分析方法,以井下喷射泵出口为求解点,形成了一套完整的蒸汽喷射泵采油工艺参数设计方法.计算结果表明:喷嘴喉管面积比相同时,引射系数增大,泵排出口压力降低;引射系数相同,减小面积比,泵排出口压力降低.     

复杂结构流道汽—液两相凝结流动压降

以复杂变截面流道为压降元件,研究了汽-液两相凝结流动的压降规律、两相流摩擦压降的L-M模型的扩展问题、均相流动模型和分相流动模型的适用性问题。获得了用混合平均雷诺数表达与两相凝结流压降的关系、L-M模型可用于非绝热的两相等温流等结论,为复杂流道中汽—液两相凝结流阻力的分析及压降计算奠定了基础。     

注蒸汽水平井井筒内参数计算新模型

注入蒸汽在水平井筒内流动时,蒸汽沿着水平段的质量流量越来越小,且加速度压降不等于零,导致蒸汽的物性参数发生变化,而蒸汽物性对井筒内蒸汽的沿程参数分布有较大影响。依据质量守恒和能量守恒,建立了注入蒸汽干度沿水平段的变化方程,利用动量守恒原理,推导了沿水平井筒的蒸汽干度分布和压力分布计算公式,构建了摩擦力做功、湿蒸汽混合物密度、水平段吸汽量和井筒与油层之间的热传递计算模型,模型同时考虑了变质量流与蒸汽PVT参数的变化对计算结果的影响,采用按压力增量迭代的计算方法对模型进行求解。实例的模型计算结果与油藏数值模拟结果对比表明,新模型具有较高的计算精度。     

扩散泵返油的Monte Carlo模拟

本文用气体动力学分析了油蒸汽的超音速流动,得到扩散泵喷嘴出口油蒸汽的流动规律。运用Monte Carlo方法对喷嘴出口区域的返油进行模拟,从而得出扩散泵返油主要是蒸汽流宏观喷射速度与热运动速度合成造成的,并给出了减少扩散泵运油的措施。理论分析与实验结果比较吻合。     

过饱和蒸汽喷管流量系数的研究

本文在回顾了湿蒸汽喷管流量系数问题数十年发展过程的基础上,对以往许多学者的工作做了分析和评价,对他们的一些理论和计算方法提出了订正.作者根据过饱和理论和湿蒸汽两相流的基本原理,分析了影响湿蒸汽喷管流量系数的各种因素,在对各区域的流动进行简化的基础上,运用连续性方程推导了各区域流量系数的表达式,并整理绘制出能适合工程设计应用的曲线图.     

湿蒸气汽轮机除湿级去湿性能的数值计算

采用了解压力耦合方程的半隐式方法数值求解湿蒸气汽轮机除湿级轴对称环形通道内可压缩粘性汽流控制方程组，得出考虑去湿槽口抽吸效应的旋流流场；在所得蒸汽流场基础上数值求解水滴运动微分方程，确定水滴运动规律及沉积特性。文中根据某一湿蒸气汽轮机除湿级的计算结果分析了静叶气流出口角、水滴直径、环形通道长度及汽流初始径向分速等参数对级的去湿性能的影响，并提出了关于除湿级结构设计的若干建议。     

普通型板式热交换器中的水蒸汽凝结放热

通过试验研究确认了将普通型板式热交换器用于水—水蒸汽凝结放热具有显著节能效果。分析了在板式热交换器中,在水蒸汽的高速流动下水蒸汽凝结换热系数与蒸汽流速、蒸汽压力、冷凝温差之间关系,获得了求解凝结换热系数的关联式,也分析了顺、逆流对压降及水蒸汽凝结放热系数的影响。