精品湿蒸汽在喷管内流动数值模拟研究毕业论文.docx
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精品湿蒸汽在喷管内流动数值模拟研究毕业论文
河北工业大学
毕业论文
作者:
李慧学号:
110631
学院:
能源与环境工程学院
系(专业):
热能与动力工程
题目:
湿蒸汽在喷管内流动数值模拟研究
指导者:
陈占秀副教授
(姓名)(专业技术职务)
评阅者:
(姓名)(专业技术职务)
2015年5月25日
毕业设计(论文)中文摘要
题目:
湿蒸汽在喷管内流动数值模拟研究
摘要:
在很多工程领域,湿蒸汽两相非平衡凝结现象广泛存在,因其产生的影响也越来越受到关注。
湿蒸汽在喷管中流动时,由于快速膨胀非常容易发生非平衡凝结的现象,而湿蒸汽凝结流动过程十分复杂,涉及到密度变化、相变、传热、以及传质等问题。
本文通过建立湿蒸汽在喷管内流动的物理模型和数学模型,采用FLUENT软件中的wetsteam计算方法,对喷管中的湿蒸汽自发凝结现象进行数值模拟分析;研究表明,湿蒸汽在喷管中膨胀加速,压力、密度、温度不断降低,达到一定的过冷度要求后,发生自发凝结现象,同时,进口过热度越小,进口压力越大,越容易发生自发凝结现象。
关键词:
湿蒸汽两相流喷管数值模拟
毕业设计(论文)外文摘要
TitleNumericalSimulationofWetSteamFlowing
intheNozzle
Abstract
Inmanyengineeringfields,two-phasenon-equilibriumcondensationphenomenonofwetsteamiswidespread.Anditgainsmoreandmoreattention.Duetotherapidexpansion,itislikelytoturntonon-equilibriumcondensationwhenwetsteamflowinginthenozzle.Buttheprocessisverycomplexforinvolvingdensitychanges,phasechange,heattransfer,andmasstransferproblems.
Thoughtheestablishmentofthephysicalandmathematicalmodelsofwetsteamflowinginthenozzle,thespontaneouscondensationofwetsteaminnozzleisanalyzedbynumericalsimulation.Itisfoundthatthepressure,anddensityandtemperatureofthewetsteamisdecreasinggradually.Whenuptoacertaindegreeofrequest,ithappenstoaspontaneouscondensation.Meanwhile,thesmallerthedegreeofoverheatandthehighertheinletpressureis,themorepronetospontaneouscondensation.
Keywords:
wetsteam;two-phaseflow;nozzle;numericalsimulation
目录
1引言1
1.1湿蒸汽两相非平衡凝结流动的研究背景及意义1
1.1.1研究背景1
1.1.2研究意义2
1.2湿蒸汽两相非平衡凝结流动的研究现状2
1.2.1国内研究现状2
1.2.2国外研究现状3
1.3喷管简介3
1.3.1喷管简述3
1.3.2喷管类型4
1.4本课题研究的主要内容、目的及方法5
2数值计算方法简介及喷管建模5
2.1数值计算方法简介5
2.1.1有限差分法5
2.1.2有限元法6
2.1.3有限分析法6
2.1.4有限容积法7
2.2喷管内湿蒸汽流动的数值模型8
2.2.1湿蒸汽流动的控制方程8
2.2.2相变模型与方程10
2.2.3水蒸气状态方程11
2.3喷管物理模型的建立以及网格划分11
2.3.1构建物理模型12
2.3.2在GAMBIT中进行网格划分12
2.4构建喷管的数学模型14
2.5求解器的设置15
3蒸汽在喷管内的数值模拟结果分析16
3.1蒸汽在喷管中流动状况分析16
3.1.1喷管中气体流动的基本原理16
3.1.2渐缩喷管中蒸汽两相参数的分布16
3.1.3缩放喷管中蒸汽两相参数的分布22
3.2进口过热度对拉瓦尔喷管自发凝结的影响27
3.3进口压力对拉瓦尔喷管自发凝结的影响30
结论33
参考文献34
致谢36
1引言
水蒸气的凝结过程就是从气相变到液相的过程。
在生活中,水蒸气的凝结是十分常见的,比如在天空中漂浮着的云、平常能够看得见的雾以及飞机跨音速飞行的机翼或者是飞机在尾部“拉出”的“白带”等。
由于在工程技术中,水蒸气的广泛应用,水蒸气的自发凝结现象在这些个领域中,也是非常普遍的现象,比如火力发电厂中的动力设备汽轮机、缩放喷管中的蒸汽流动、超音速风洞、在核安全工程中,蒸汽喷射泵的流场中几乎都有水蒸气自动凝结现象的发生[1]。
1.1湿蒸汽两相非平衡凝结流动的研究背景及意义
1.1.1研究背景
电力工业随时关乎着国计民生,属于基础工业之一,国民经济的发展直接受其影响。
汽轮机是电力工业极其重要的动力设备,在1997年,与它相关的发电量约为总发电量80%;该情况尤为在我国突出,在1999年底,在以汽轮机为主导的火力发电量电量的85%[2]。
在动力、电力的行业中,随着汽轮机的出现,湿蒸汽两相流动问题也产生了。
在膨胀过程中,蒸汽产生的两相流动对装置的流动性能影响非常的大。
当蒸汽在饱和状态继续膨胀时,并不会立刻就会凝结,而是按照之前的规律继续发生膨胀,从而偏离平衡态。
当达到一定的限度后,这种不平衡态会使得凝结出来大量小水滴,同时蒸汽流动中释放出大量的潜热,形成凝结冲波,随之而来蒸汽流动变为两相流动。
湿蒸汽凝结带来一些问题,一方面是在汽轮机中,蒸汽凝结所产生的或者是湿蒸汽在进入汽轮机时所带入的水分,会降低机组效率;另一方面是湿蒸汽内的小水滴可能导致汽轮机的低压级动叶损坏。
目前甚至今后的相当长时间内,汽轮机在电力行业的重要的地位难以动摇。
火电厂中的大功率凝汽式汽轮机的低压缸,以及水冷堆核电汽轮机全部级,都在湿蒸汽区域工作,由于级内的两相流动,在经济性的损失将会不可低估。
因此,了解了在汽轮机内湿蒸汽内的状态,设法去解决这些问题就迫在眉睫的摆在了各个科研者的面前。
1.1.2研究意义
从设计的角度看,汽轮机整个装置中,由于出很大部分力的低压汽轮机内,后几级的流动不会再是单相过热的蒸汽流动,反而伴随有相变以及湿蒸汽在传热过程的两相非平衡流动,所以流动机理相当复杂[3]。
因此,利用数值模拟的方法研究湿蒸汽流动的规律是很有意义的。
提高透平效率,产生的经济效益以及社会效益很是可观的。
对蒸汽两相非平衡流动的机理进行深刻研究,通过整体优化透平流通部分,使得有效的控制湿度,提高透平效率。
该研究领域是一个非常值得研究的领域。
湿蒸汽两相非平衡凝结流动的数值模拟研究,能够有效地指导汽轮机通流部分和除湿装置的设计,提高透平效率和运行安全性[4]。
1.2湿蒸汽两相非平衡凝结流动的研究现状
在透平中由于负载的湿蒸汽的两相流动,早期,对该问题的深入探究很是困难。
在工业界,早在1910年湿蒸汽的透平设计中所遵循的BAUMANN法则就已经确立了,然而人们在最近几年,确立背后所用的详细机理才开始有所了解[5]。
湿蒸汽自发凝结两相流动非常复杂,其计算涉及到:
气体动力学、相变理论、统计热力学和计算流体动力学等知识,同时,在对湿蒸汽的两相流动研究的过程中,又提出了新的涉及这些学科的问题,这也促进了各个学科的快速发展。
在早期,对该问题的深入探究很是困难,建立比较合适的数值模型是进行该研究的有效可行的方法。
1.2.1国内研究现状
在国内,80年代初,西安交通大学的蔡颐年教授带领大批的学者开展了与之相关的研究[6];王乃宁、蔡小舒教授等在上海理工大学也对湿蒸汽凝结流动的现象进行了深入的研究;此外,还有中科院的工程热物理研究所同华北电力大学等,在这方面也进行了与之相关的研究。
但是不论是在国内还是在国外,对非平衡的凝结流动的研究还是无法满足工程设计中透平的需要。
由于在透平机械中湿蒸汽的非平衡凝结有着非常重要的作用,某些制造商也积极参与大学的研究,其中,西安交通大学与日本日立公司就展开了国家性的合作研究[7]。
其研究成果为湿蒸汽两相非平衡流动打下了坚实基础,积累了丰富的经验。
1.2.2国外研究现状
在国外,比利时的冯卡门研究所、英国的中央电业研究实验室、莫斯科的动力学院、剑桥大学的惠特勒实验室、伯明翰大学、亚琛大学、日本的东北大学和波兰、捷克的某些研究机构以及一些大学都开展了许多关于湿蒸汽凝结的相关实验以及数值研究方面的工作[8]。
Wilson早在1897年,就在研究湿蒸汽凝结成核的问题时,引入了膨胀云室的方法。
后来又经过Allard和Kassner[9]的进一步研究,得出了蒸汽凝结的成核率的计算方法。
1939年,Langsdorf[10]发明了扩散云室法,用于对对整个实验过程的观察,此方法在凝结成核领域得到了广泛应用[9-10]。
1.3喷管简介
1.3.1喷管简述
喷管是能够降压增速气流的管道。
在火力发电中所用喷管主要是是渐缩喷管和缩放喷管(也叫拉瓦尔喷管)。
喷管落压比(或者叫膨胀比、压力比)为喷管入口处气流的总压与出口处气流的静压之比。
膨胀面积比为缩放喷管的出口面积与临界截面积(喉部截面面积)之比。
当气流膨胀使得喷管出口位置的静压恰好为外界大气压力时,称为完全膨胀喷管,此时性能最佳。
当喷管出口处气流的静压力大于此时外界大气压时,称为不完全膨胀,压力势能无法充分转化为动能。
当喷管出口处静压力小于外界大气压时,称为过膨胀喷管,这时后将会出现负压力[12]。
1.3.2喷管类型
(1)渐缩喷管
沿流动的方向横截面逐渐缩小的的喷管。
收敛半角通常取7°~35°,在较大的马赫数下飞行时,可能会因不完全的膨胀造成较大推力损失[13]。
例如,Ma=1.5时,损失约为14%;Ma=3时,损失大于50%。
其优点为结构简单、重量较小。
在亚音速或者低超音速的飞机的发动机上,通常应用这种喷管。
(2)缩放喷管
沿流动的方向横截面先缩小后放大的喷管,又称为拉瓦尔喷管。
该喷管通常用于超音速的歼击机上。
现代火箭的发动机最常用的喷管则是钟形喷管,出口半角降到了2°~8°,长度较短。
还有一些更短的环装喷管,如:
塞式喷管、膨胀偏转喷管、回流喷管以及平流喷管等。
他们的共同特点是,随着外界压力的改变,气流可以自行调节自由膨胀的边界,并且以一般处在完全膨胀状态[14]。
(3)可调喷管
主要是用在高速飞行的军用飞机上。
喷管面积之比容易调节,可随着飞行条件变化而变化。
结构型式包括:
平衡杆式、折叠式、折叠花瓣式、套筒锥式等。
一般均处在完全膨胀状态。
(4)二维喷管
出口截面非圆形,飞机后体与喷管的一体化比较的容易实现,减小了飞机的外部阻力以及暴露面,改进了飞机的性能和隐蔽性[15];同时还能实现推力的换向和反向,增加了机动性。
1.4本课题研究的主要内容、目的及方法
由于湿蒸汽两相凝结流动比较复杂,所以其计算存在很多不确定因素。
课题要求建立湿蒸汽在喷管内流动的数学模型,对喷管中的湿蒸汽自发凝结流动进行数值模拟,得到沿喷管轴向两相参数的分布,并分析不同参数的影响。
本课题难点在于湿蒸汽两相流非平衡流动情况的复杂性,给制作模型以及数值计算都带来了很大的麻烦。
2数值计算方法简介及喷管建模
2.1数值计算方法简介
数值计算,即NumericalComputations,是继自然理论分析及科学实验之后,人类认识世界新的重要手段。
它主要用于解决不可能进行试验的问题和进行试验代价太大的问题。
数值模拟融合了理论分析和科学实验两种方法的特点,所以它并不仅局限于科学计算,而是被广泛应用在科学研究、工程应用、工业生产等各个领域。
在流动与传热问题中,数值方法根据离散原理可以分成四种,即有限差分法、有限分析法、有限元法和有限容积法。
2.1.1有限差分法
定解问题即在满足了某些特定解的条件下所求得的微分方程的解。
在空间区域的边界上,所要求的定解条件叫做边值条件。
若所求的问题和时间有一定的关系,在初始的时刻,所要求的定解条件,叫做初值条件。
若定解问题与时间无关,只带边值条件,则叫做边值问题。
如果定解问题与时间相关同时只带初值条件,则叫做初值问题。
既带为边值问题也为初值问题,则叫做边界初值混合问题[16]。
定解问题通常没有解析解,或者其解析解很难算出,因此要使用行得通的数值解法。
有限差分法即其中一种解法,原理为:
将定义域进行网格划分,在所划分的网格的点上根据微分方程,化为差分格式,之后就可以得到数值解。
此外,还要研究:
解得存在性以及唯一性、解的求法、解法数值的稳定性、当网格的大小趋进于零时解是否为真解(即收敛性),等等[17]。
有限差分方法优点:
简单、灵活、通用性强,在计算机上比较容易实现。
2.1.2有限元法
有限元法(finiteelementmethod)则是一种较为高效能的、常用的计算方法。
科学计算领域,则要求求解各个类微分方程,然而一帮情况下,很多微分方程的解析解不容易得到,从而使得用有限元法,将微分方程离散之后即可编程,通过计算机的辅助来求解。
在早期,所以有限元法被以拉普拉斯方程以及泊松方程的各类物理场中所广泛应用[18]。
自1969年至今,有些学者在流体力学中,利用迦辽金法和最小二乘法等也获得了有限元方程。
所以,有限元法可应用于各类用微分方程描述的物理场,而不用要求这类物理场与极值问题有所关联[19]。
最初的时候,有限元法用于结构力学,后来才由于计算机的发展应用到了流体力学。
其基本原理是将需要求解的区域划分为一系列的元体,并且在每个元体上取几个作为节点,对控制方程乘以一个权函数,以保证在要求解的区域,控制方程余量的加权平均值为零,然后积分得到离散方程。
有限元法的优点是可以在不规则区域内求解,缺点是计算量较大。
2.1.3有限分析法
有限分析法是在1981年,由美籍华人陈景仁先生提出的,该方法对有限元法进行了改造。
由于有限分析法巧妙地将解析法与数值法结合起来,所以有很大的应用价值,是计算流体力学上一个大的进步。
该方法有点有:
精度较高,有自动迎风的特性,计算稳定性好,收敛较快。
缺点则是:
理论分析和实际计算的难度增加。
近年来由于混合有限分析法的提出引入了有限差分思想,有效避免了计算复杂的无穷级数,所以很大的程度上提高了使用的价值。
但是在有限分析法和混合有限分析法中,有限分析系数复杂、计算速度慢、效率低等缺点都普遍存在。
2.1.4有限容积法
有限容积法的基本思路是,将计算区域划分为一系列不同的控制体积,并用控制容积中的节点来代表这个控制容积;对控制方程在控制体积上进行积分,从而得到一系列离散方程。
方程中的因变量的数量就是未知数的个数。
简单来说,子区域法其基本思想简单明了,易于理解,并能清晰的给出其物理解释。
有限容积法的优点有:
(1)离散方程意义明确
(2)整个求解区域全部遵守守恒定律
(3)能够满足准确的积分守恒
在NHT(计算传热学)和CFD(计算流体力学)中最常用的方法,就是有限容积法(FVM)。
通常情况下,它由如下的五个部分组成:
(1)网格的生成
(2)对流项离散化
(3)边界条件离散化
(4)压力速度的耦合
(5)离散方程求解
处理以上这五个部分将直接影响到最后模拟的结果。
应用有限容积法常用的几种CFD/NHT商业软件有FLUENT、PHOENICS、STAR-CD和CFX等。
FLUENT软件由于采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术,因而FLUENT能达到最佳的收敛速度和求解速度[15]。
本课题应用的就是有限容积法,选用软件为FLUENT6.3版本,用于计算流体流动和传热问题,完成本课题的研究。
2.2喷管内湿蒸汽流动的数值模型
2.2.1湿蒸汽流动的控制方程
对于气液两相流流动的复杂性,因此计算中作了如下假设:
(1)忽略了两相间存在的速度滑移;
(2)凝结液滴的质量分数;
(3)凝结液滴的半径极小(<1μm),从而液相体积基本可以忽略。
湿蒸汽两相流的计算中,通常将使蒸汽中的气相和液相一起考虑,在控制方程中,用矢量形式的可压缩方程描述如下,
(2-1)
;为控制体;为求解变量;为无粘通量;粘性通量;为源项。
此时有:
(2-2)
(2-3)
(2-4)
为混合流体密度,为汽相密度,表示液相质量分数,为总焓,为混合焓值,为水蒸汽焓,为水滴焓。
在模型中,将气液两相之间的质量传输方程以及能量传输方程引入,并同时应用成核理论以及液滴生长理论,来得出液滴数量以及液滴半径之间的液相参数分布[21]。
(2-5)
(2-6)
其中,
(2-7)
(2-8)
为流体速度,为液相质量增长率,为成核率,为单位体积液滴数,为液滴平均体积,为液滴平均半径,为液相密度。
2.2.2相变模型与方程
相变模型中,有以下假设:
(1)凝结的过程是均质的,没有外来的凝结核;
(2)液滴的生长以平均半径为基础的;
(3)液滴为不可压缩球体;
(4)液滴被“无限大”的汽相空间包围;
(5)相对于在凝结中的潜热,忽略液滴热容量。
液相质量的增长率,其方程为:
(2-9)
其中,
(2-10)
(2-11)
(2-12)
为液滴平均半径,为临界成核半径,为水滴半径增长速率,,,。
的方程为:
(2-13)
其中
(2-14)
,,,,。
2.2.3水蒸气状态方程
两相凝结流动通常出现在温度以及压力较低的情况下,针对于湿蒸汽汽轮机里边的两相凝结流动的计算,Young给出了水蒸气的维里型的气体状态方程以及一些相应的热力学的参数表达式。
维里型的状态方程的优点有两方面:
首先,在理论上能够论证维里系数(B、C、D等)仅仅是温度函数;其次,根据计算条件的要求和计算精度的要求,维里型方程[16]可以选择适当的阶数[16]。
本文使用三阶维里型的状态方程:
(2-15)
其中,B、C分别表示二阶和三阶的维里系数,给定如下:
(2-16)
式中,为水蒸气温度,,,,,。
(2-17)
式中,,,,,。
2.3喷管物理模型的建立以及网格划分
2.3.1构建物理模型
本文为采用的物理模型有两个,一个渐缩喷管,一个缩放喷管。
在Gambit中建立分散点,连接成面,再沿轴旋转360度得到三维立体模型。
渐缩喷管模型的尺寸为:
进口截面积64.84cm2,出口截面积20cm2,总长5cm。
喷管轴向中心截面如图2.1所示。
缩放喷管模型的尺寸为:
进口截面积64.84cm2,喉口截面积20cm2,出口截面积72.9cm2,喉口距离进口长度为5cm,喷管全长12cm。
轴向中心截面如图2.2所示。
2.3.2在GAMBIT中进行网格划分
划分网格是数值模拟研究的前期工作,也是计算的关键步骤之一,会对计算的精度产生很大的影响。
GAMBIT中划分网格的方式有线网格、面网格和体网格,基本网格形状如图2.3,有四面体、六面体、棱锥型和棱柱形等。
本文采用GAMBIT2.4.6版本来建立模型。
刚开始考虑到Cooper所成的六面体网格更为精确,所以想使用Cooper方法划分为六面体网格。
但是由于喷管内某些截面划分面网格时,所形成的六面体网格发生干扰,导致在fluent计算中无法进行迭代,最后决定采用T-grid网格划分方法。
渐缩喷管网格划分:
图2.4拉伐尔喷管网格划分
网格信息如表2.1所示。
Level
Cells
Faces
Nodes
Partitions
0
132769
271300
25092
1
拉伐尔喷管网格划分:
图2.5拉伐尔喷管网格划分
网格信息如表2.1所示。
Level
Cells
Faces
Nodes
Partitions
0
121536
371115
128180
1
表2.1拉伐尔喷管网格情况
2.4构建喷管的数学模型
将从GAMBIT中导出的Mesh文件导入到FLUENT6.3软件中,开始建立数学模型。
本课题为湿蒸汽在喷管内的两相非定常凝结的流动,实验比较后决定采用wetsteam模型,工质为湿蒸汽,不用再定义材料,直接进入边界条件设置。
喷管边界条件的设置包括入口边界条件和出口边界条件,壁面为绝热,保持默认值,工作环境为一个大气压101325pa。
(1)入口边界条件
该模型采用压力进口(Pressure-inlet),需要设置总压,初压,蒸汽初温以及进口液相分数。
其中,总压与初压的换算公式为,为进口蒸汽温度。
(2)出口边界条件
该模型采用压力出口(Pressure-outlet),需要设置背压,出口温度以及出口液相分数。
2.5求解器的设置
FLUENT中有分离式和耦合式两种求解器。
耦合式求解器有隐式和显式两种算法,一般在高速、可压流动时使用,它将质量方程、动量方程和能量方程等联立成方程组,进行直接求解[18]。
这种方法对精细网格上的流动以及强耦合流动求解效果很好。
同时,耦合式求解器的稳定性以及收敛性也很强。
分离式求解器只有隐式算法,一般用于不可压流动或轻微可压流动。
对速度、密度、温度等相关参数的Navier-stokes方程[17]逐一进行求解。
关于分离器,SIMPLE、SIMPLEC、PISO是FLUENT提供的三种基本算法。
其中SIMPLE方法基于交错网格的流场计算,它的应用是最广泛的[19]。
而SIMPLEC方法和PISO方法需要的空间相较更大,时间更长。
对于非稳态问题,相较之下,IMPLE算法和SIMPLEC算法更为可靠。
而PISO方法在瞬态问题则显示出较大的优势。
本文所用求解器及参数如下:
(1)蒸汽在喷管中的流动为高速可压缩流动,所以采用耦合式求解器。
同时激活密度求解器(DensityBasedSolver),非稳态流动(Unsteady).
(2)设置多相模型为wetSteam模型。
(3)因为k-ε湍流模型精度和经济性都比较理想,所以本文采用k-ε湍流模型。
其它条件等采用默认值。
(4)为提高计算精度,对流项采用二阶迎风(SecondOrderUpwind)进行离散求解。
(5)设置残差监视器(ResidualMonitors)。
选中Plot选项输出计算数据。
3蒸汽在喷管内的数值模拟结果分析
本文主要是通过FLUENT软件,对喷管内蒸汽的流动及换热过程进行数值模拟,得到蒸汽沿喷管轴向的压力、温度、密度和液相分数的变化。
为方便研究,取喷管轴向中心截面以及中心线进行研究。
3.1蒸汽在喷管中流动状况分析
设置进口蒸汽压力为2MPa,温度为485.25K(饱和蒸
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