氮气在缩放喷管中非平衡自发凝结的数值研究

针对氮气在收缩型喷管中自发凝结的两相流动,采用经典成核理论来计算气液两相间的质量传递,选用Standard Redlich Kwong气体状态方程,忽略了气液相之间的速度滑移,利用商业软件CFX中的非平衡凝结模型进行了二维数值模拟。通过对成核率的量级、压力和带液量变化趋势及开始凝结的位置等模拟结果的分析,验证了模型和数值计算的有效性。进一步的数值模拟结果表明:相比于无凝结的绝热膨胀过程,相变释放潜热及气液之间的导热会加热气体,使得气流压力升高、马赫数降低。平衡凝结模型及非平衡凝结模型的对比显示,非平衡数值模型能够更好地揭示低温下氮气自发凝结的两相膨胀过程。     

膨胀率对氮气和水蒸气超音速凝结特性的影响

为了研究膨胀率对氮气和水蒸气超音速凝结特性的影响规律,利用双组分凝结流动数值模型对氮气和水蒸气的不平衡凝结流动进行了数值模拟.对数值模型进行了验证,发现模拟结果与实验结果一致.利用该数值模型研究了不同膨胀率对氮气和水蒸气凝结流动的影响,发现在相同的进口参数下,随着膨胀率的增大,极限过冷度变大,液滴成核率和液滴数增大,但液滴半径减小.在超音速分离管设计过程中,需要综合考虑膨胀率与液滴半径两方面因素来获得较高的分离性能.     

低温透平膨胀机内平衡凝结两相流动的数值模拟

采用Peng-Robinson方程及零压多项式拟合了低温空气二元混合物的物性,利用商业软件ANSYS CFX对设计工况下的单相流动及进口升压降温后平衡凝结两相流动进行了数值模拟,得到了全低压空气分离流程中的低温两相透平膨胀机喷嘴和工作轮的温度场、压力场、流线及带液量云图,同时推导了该工况下膨胀机的等熵效率.结果表明,工作轮流道内吸力面壁面处的涡流会延迟凝结相变发生,叶片后缘处的尾迹使得吸力面壁面处的带液量有所减小.最后,通过实验验证了模拟结果,表明利用平衡凝结相变模型能够模拟小带液量透平膨胀机流道内的两相流动.该结果可为低温两相膨胀机研究提供参考.     

进汽参数对拉伐尔喷管中水蒸气自发凝结的影响

针对不同进汽参数条件下水蒸气从过热区膨胀进入湿蒸汽区的自发凝结规律问题,采用数值模拟方法研究其流过拉伐尔喷管时在非平衡和平衡条件下的凝结特性,分析了进汽参数对水蒸气非平衡凝结过程的过冷度、液滴数、湿度、压比以及马赫数的影响,比较了其平衡凝结和非平衡凝结特性的差异。结果表明:当进汽压力较低时,水蒸气非平衡凝结过冷度较大,压力和马赫数的突跃现象显著;随着进汽压力提高,非平衡凝结造成的参数突跃变化减小,出口湿度逐渐增大,当p/pc为0.8时,出口湿度超过了20%。通过比较水蒸气的平衡凝结和非平衡凝结特性,发现喷管进汽压力较低时,水蒸气非平衡凝结与平衡凝结计算结果的差异显著,Wilson点在平衡态中湿度达到8.40%;而当进汽压力接近临界压力时,平衡凝结的计算结果基本接近非平衡凝结的结果,Wilson点在平衡态中的湿度仅为1.98%。     

向心透平蜗壳轴向对称性影响的数值模拟研究

基于三维Naiver-Stokes方程组，采用分块结构化网格，用数值计算的方法模拟了矩形截面轴向对称和非对称蜗壳内气体的流动．湍流模型采用Baldwin—Lomax代数模型．模拟的结果表明，对称蜗壳和非对称蜗壳在出口气流特征上基本一致，非对称蜗壳气流的周向均匀性要优于对称蜗壳；非对称涡壳的后1／4流程出现了横向压力梯度，这个梯度容易引起二次流动损失．     

离心通风机内部流场数值模拟

为降低离心通风机的能耗,在不同体积流量参数条件下应用Fluent软件对WDLH-450型离心通风机内部流场进行了数值模拟,得到风机效率、总压力和叶轮功率等数据.结果表明,总压力和效率等性能参数的模拟结果与实验测量数值非常吻合,验证了数值模拟的正确性.由于风机叶片为不规则几何体,使得风机在工作时内部流场非常复杂,叶片旋转时会产生不规则的气流,形成蜗壳区域气体的二次流动和叶轮前盘区域的涡流,造成叶轮和蜗壳区域流动能量的损失.同时,各叶轮流道的流场由于气流流动分布的不均匀性而存在压力不对称的现象.     

矩形斜板湿法除尘塔气液两相流数值模拟

以自主研制的矩形斜板湿法除尘塔为物理模型,采用CFD(计算流体力学)软件Fluent对塔内三维气液两相的流场进行了数值模拟.计算中气相采用标准k-ε湍流模型,液相采用拉格朗日离散相模型,液滴的壁面行为采用壁面液膜模型.结果表明:矩形斜板除尘塔能有效地增大气液接触面积,增强气液扰动,延长气体在塔内的停留时间;在塔体的进口区域会出现烟气冲壁和液滴冲壁的现象;在进气管一侧的塔体顶部会出现流动死区;喷淋液体对气场有一定的整流作用,在喷嘴处可以观察到气体卷吸的现象;增大进口烟速,可增大液滴在塔内的充满度,但同时会出现液滴夹带的现象.最后,在不同气速,不同的液气比下对塔内的压力损失进行了实验验证,实验值与模拟值吻合较好.     

对二甲苯悬浮结晶与晶体流动分布特性研究

为深入研究对二甲苯悬浮结晶过程与晶体流动分布特性，明确影响结晶的关键因素，将欧拉-欧拉多相流模型与粒数衡算方程(PBM)耦合，关联晶体成核速率和生长速率方程，模拟求解了对二甲苯的结晶与分布情况。结果表明：随着流动时间的增加，结晶器内的混合程度逐渐增加，30 s后流场基本保持稳定。流体在结晶器内主要为内循环流动与局部涡流并存，各区域温度差异很小，晶体在涡流区域的体积分数大于涡流区域附近的体积分数。粒度分布最大位置位于结晶器下挡板以及底部，随着区域流速的增大，晶体体积分数逐渐减小，流速大于1.40 m/s时不利于晶体生长，在工业生产时应避免结晶器内流速大于1.40 m/s。结晶器内0.01 mm晶体的不均匀度为0.000 7,随着晶体粒径增大，大粒径晶体不均匀度逐渐增加；晶体粒度分布整体呈正态分布，其中0.03～0.05 mm粒径的晶体数量最多，占晶体总量的44.5%。本文实现了复杂流场下的结晶过程模拟仿真，所得结果揭示了结晶器内对二甲苯的成核生长规律，为优化创新对二甲苯结晶分离提供了依据和理论指导。     

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。     

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。