高超声速喷管中水蒸气凝结的数值研究

我们针对高超声速燃烧加热风洞喷管流动的大扩张比、高马赫数、高低温气体并存和高水蒸气含量的特点,发展了兼顾高温气体效应与水蒸气非平衡凝结过程影响的有限体积计算方法,对伴随水蒸气凝结的喷管流动的机理开展了数值研究.计算中,凝结模型采用Hill矩方法进行模拟.数值分析着重关注喷管进出口气流的参数变化.结果表明,燃烧加热风洞的凝结问题计算中,应考虑高温气体效应的影响,以保证结果的合理性;随总温、水蒸气含量等参数的不同,喷管流动中的凝结现象会呈现明显不同的特征,适量的水蒸气含量和较低的总温会使得凝结后的流场参数发生显著改变.     

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.     

水-酒精混合蒸气在竖直管外凝结特性的研究

在低于大气压下,通过实验研究了水蒸气和不同酒精含量的水-酒精混合蒸气在竖直铜管外的凝结换热特性,同时记录了凝结状态.实验结果显示:在不同的酒精含量下,随着过冷度的变化,凝结换热系数均呈现出具有峰值的非线性变化特征;随着酒精含量的减少,凝结换热系数显著增大;当酒精的质量分数为1%时,凝结换热系数的峰值是相同条件下水蒸气凝结换热系数的9倍;当酒精的质量分数为50%时,凝结换热系数与相同条件下的水蒸气凝结换热系数相当.分析表明,凝结换热系数的非线性特征是由于凝结液热阻以及扩散热阻的复杂变化所引起的.     

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。     

非均匀进汽时迷宫密封汽流激振动力特性的研究

采用基于转子多频椭圆涡动模型和动网格技术的URANS方程求解方法,研究了动、静叶干涉作用以及级间补汽导致的非均匀进汽温度和压力条件下叶顶迷宫密封汽流激振转子动力特性,计算分析了进汽预旋比为0.2、0.5、0.7时叶顶迷宫密封转子动力特性系数,并与均匀进汽温度和压力条件下迷宫密封转子动力特性系数进行了比较。研究结果表明:密封转子稳定性随进汽预旋比的增加而降低;非均匀和均匀进汽条件下迷宫密封腔室周向旋流强度和腔室压力分布的差异随进汽预旋比的增加而逐渐减小,2种进汽条件下密封转子动力特性系数之间的差异随进汽预旋比的增加而减小;与均匀进汽相比,进汽预旋比为0.2时非均匀进汽下迷宫密封交叉刚度至少降低82.7%,交叉阻尼至少增加30.7%;进汽预旋比为0.5时非均匀进汽下迷宫密封有效阻尼仅在涡动频率为50~100 Hz时较均匀进汽低8.4%~12.4%;进汽预旋比增加至0.7时,非均匀和均匀进汽条件下迷宫密封转子动力特性系数基本相同。显然,进汽预旋比较高时进汽均匀性对迷宫密封汽流激振转子动力特性系数的影响可以忽略。     

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.     

缩放喷管中膨胀蒸汽流的过饱和极限位置的理论计算和分析

作者依据G.Gyarmathy和H.Meyer提出的关于膨胀汽流过饱和极限位置的数学模型和分析方法,对无因次液滴生长函数的线性化近似公式作了更加接近于理论解的修正,提出了计算过饱和极限位置的简化公式;并根据该公式说明了确定Wilson点参数的计算方法.作者计算了相应于典型透平叶栅内的膨胀速度的喷管,在压力0.1～50ata,温度5～250℃参数范围内的一组Wilson线.作者将计算结果与试验值进行了比较.并对计算中引起偏差的原因进行了比较详细的分析.作者认为对膨胀蒸汽流的自发凝结问题,在计算中采用经典成核理论可以获得满意的结果.     

高温空气超音速喷管内等熵核心流动

§1.引言为了模拟高超音速飞行中的高焓和高马赫数,加热风洞的应用日益广泛。因而提出了高温空气的喷管设计问题。与完全气体比较,高温空气有以下特性:第一温度高。第二有离解电离及化学反应。第三有反应速度即平衡与非平衡态的影响。这些特性都必然影响到喷管内流动的性质。因而,高温下合理的喷管壁线与常温下不同。本文的目的是研究高温空气对喷管流的影响,给出平衡、高温、等熵条件下,二元及轴对称喷管壁线设计方法及其结果。本文采用了Квашнина的高温气体近似状态方程,把适用于完全气体的喷管设计解析法——二元下Atkin方法及轴对称下Foelsch方法推广应用到高温气体喷管设计中,推导出高温下喷管壁线坐标公式,并在不同的温度下计算了不同马赫数的二元及轴对     

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。     

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·℃).     

跨音速涡轮平面叶栅气动性能试验研究

为研究某型涡轮叶片根部截面的平面叶栅在不同攻角和不同马赫数下的气动性能,采用风洞吹风试验对叶栅总损失特性、出口能量损失分布、叶片表面和壁面压力与马赫数分布等气动参数变化情况进行分析.结果表明,叶栅所采用的叶型具有较为明显的后部加载特性,叶栅能量损失在较宽攻角范围内保持较低水平,且随着出口等熵马赫数的变化呈现先减小后增大的变化规律.     

拉瓦尔喷管中的气流状态参数计算分析

本文使用微分形式与差分形式的气流状态方程推导并结合MATLAB软件编程计算分析了超音速进口以及超音速出口情况下的拉瓦尔喷管内沿轴向分布的各位置处的气流参数压强、温度、密度、速度的分布特点。分析计算与仿真结果发现,气流马赫数M在喷管喉道达到了最小值,而温度T、压强P、密度ρ等参数则在喉道处达到了峰值;喉道处马赫数随着初始进口马赫数的提高而增大;计算结果的残差分析表明随着科朗数C的增大,计算收敛所需步数减少,但残差峰值也随之增大,当科朗数C=1.75时计算结果发散。     

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。     

喷管内流体流动状况的理论分析和数值模拟

对喷管内流体的流动状况做了详细的理论分析,主要对喷管中管道截面积和几个状态参数之间关系进行分析,如管道截变化对流体流速、马赫数、压力、温度等参数的影响,得到喷管截面的变化规律不仅仅取决于流速的变化情况,而且还与其他状态参数有关,尤其是马赫数.最后通过模拟缩放喷管与理论进行对比分析,表明模拟是正确的,且管道内气体流场特性的数值模拟在实际工程中是可行的.     

偏三甲苯或均三甲苯+异丙醇体系的等压汽液平衡

用CP -I型汽液平衡双循环釜测定了异丙醇 偏三甲苯和异丙醇 均三甲苯 2个二元体系在压力为99 992kPa时的等压汽液平衡数据 ,并进行了热力学一致性检验。用Wilson方程关联了实验数据 ,拟合精度令人满意     

在760[mmHg]下异戊二烯—2-甲基丁烯-[2]、2-甲基丁烯-[2]-N-甲基吡咯烷酮-[2]系统的汽液平衡

本文提出了一个汽液双循环的改进Gillepie型平衡器,适用于测定沸点悬殊或非常接近的均相系统汽液平衡。在760[mmHg]下实验测定了异戊二烯——2—甲基丁烯—[2],2—甲基丁烷—[2]——N—甲基吡咯烷酮—[2]系统的汽液平衡。并用Holmes目标函数非线性回归法在DJS—21型电子计算机上计算了上述系统的Wilson参数和NRTL参数     

微型喷管内气体流动的流量壅塞现象

基于MEMS微加工工艺,在硅片上加工出带有内部测压孔的微型喷管,其喉部宽度为20μm,深度为240μm,扩张比为1.7,采用实验研究和数值计算相结合的手段研究了微型喷管内气体的流动特性. 研究结果表明:保持进口压力不变,不断降低背压,当喉部马赫数达到0.8时,内部流动出现了质量流量壅塞现象. 此时对应的壅塞临界压比为0.650;同时发现,当进出口压差为48kPa和66kPa时,喉部下游扩张段出现了局部超声速环. 这些异于常规喷管流动特性的现象主要归因于微型喷管内较大的粘性耗散.     

存在温度梯度的竖直壁面Marangoni 凝结换热特性研究

对水-酒精混合蒸气在表面存在温度梯度的竖直壁面上的Marangoni凝结换热特性进行了实验研究,并观测了混合蒸气的凝结形态.实验结果表明:凝结表面不同位置的换热系数不同,温度梯度大的位置凝结换热系数较大;当酒精蒸气的质量分数wv=0.5%,1%时,凝结换热系数随过冷度单调减小;当wv≥2%时,凝结换热系数与过冷度的关系为含有最大值的非线性特性关系;在相同条件下,wv=1%时的凝结换热系数最高,wv=0.5%时的次之,wv≥2%以后,凝结换热系数随酒精含量的升高而减小.与仅由浓度梯度引起的Marangoni凝结相比,本实验中由浓度梯度和温度梯度共同驱动的凝结换热更强.初步的理论分析也表明,凝结表面上的浓度梯度和温度梯度共同作用使水-酒精凝结液表面的表面张力梯度增大,Marangoni对流加强,凝结换热进一步强化.     

不同马赫数下非轴对称端壁扇形叶栅流场

以某一高压涡轮导叶扇形叶栅为研究对象,通过数值和实验方法研究非轴对称端壁造型对涡轮叶栅内二次流的控制机制,分析出口马赫数增加对二次流损失特性的影响规律.结果表明:不同出口马赫数下,非轴对称端壁造型可有效降低总压损失,抑制周向二次流,削弱通道涡强度.出口总压损失系数和涡量随出口马赫数的变化而变化;出口马赫数为0.85时,改善效果最好,出口总压损失系数减小10.81%.     

高压涡轮主动间隙控制引气风斗流动特性实验

高压涡轮主动间隙控制(high-pressure turbine with active clearance control,HPTACC)引气风斗流动特性将对发动机的效率和安全运转产生较大影响,为此开展HPTACC引气风斗流动特性实验。在出口背压一定状态下,通过改变马赫数和节流孔板直径,获得引气风斗的总压恢复系数等特性规律。实验结果表明:在来流马赫数较低的工况下,引气风斗的总压恢复系数约0.99,流动损失较小。随着马赫数和引气风斗流量的增大总压恢复系数下降,KD3在0.46马赫数时相较于0.19马赫数总压恢复系数下降了11%,0.46马赫数时KD3相较于KD1的总压恢复系数下降了6.5%。引气风斗在马赫数较小时出口总压沿径向分布较均匀;马赫数增加后不均匀度加大。