超临界二氧化碳迷宫密封内摩擦损失数值研究及流动特性分析

为厘清迷宫密封内摩擦损失的影响因素并建立摩擦系数预测模型,基于Vannini等搭建的迷宫密封实验装置,以超临界二氧化碳为工质,采用数值方法,探究了雷诺数、进出口压比以及间隙半径比对摩擦系数和泄漏特性的影响关系。结果表明：摩擦系数随雷诺数的增加而减小,随进出口压比的增加基本不变。泄漏量在雷诺数小于10⁴时基本不变,但在大于10⁴时随雷诺数的增大而减小,且泄漏量随进出口压比增大而增大。在不同工况条件下,摩擦系数和泄漏量随间隙半径比的增加而线性增大,但摩擦系数的斜率基本不变,泄漏量的斜率随进出口压比的增大而增大。当雷诺数较高、压比较低时,在密封的入口区域会存在尺寸较大的涡,这有利于泄漏量降低,但此时泄漏模型的预测精度有少许降低。当间隙半径比较小时,摩擦损失主要源于密封间隙内的流动;当间隙半径比较大时,流体与壁面的相互作用是摩擦损失产生的主要原因。最后,基于数值计算结果,提出了摩擦系数预测模型,并验证了该模型预测精度。研究结果将为提高超临界二氧化碳迷宫密封及透平机械的设计水平提供参考。     

轴类间隙内摩擦损失模型验证及流动特性分析

为准确预测旋转机械轴类间隙内的摩擦损失,对4种常见摩擦损失模型进行系统地验证,并对间隙内的流动特性进行详细分析。首先基于公开发表的间隙内摩擦损失和速度分布实验数据校验了数值方法,其次考核了在不同线速度和流体密度条件下4种摩擦损失模型的预测精度,分析了间隙内的流动特性。研究结果表明：采用雷诺应力湍流模型计算的摩擦损失和速度分布与实验结果偏差较小,验证了数值方法的可靠性;当线速度为74～233 m/s时,模型2、模型4的预测结果与数值计算结果的相对偏差均小于10%,模型1、模型3的预测结果与数值结果偏差较大;当压力为0.1～2.1 MPa时,间隙内的摩擦损失随着压力升高呈线性增加;当雷诺数为10⁴～6×10⁴时,模型2的预测结果与数值计算结果接近,最大相对偏差为1.44%;当雷诺数大于6×10⁴,模型4与数值计算的结果接近,最大相对偏差为6.15%;流场结果显示,间隙内会存在周期性泰勒涡,速度沿径向被分为3个区域,壁面处的涡量大于中心处涡量。研究结果可为摩擦损失模型的选择提供依据,为发展高精度损失模型提供参考。     

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%。