基于双流体模型的湿蒸汽两相流动数值模拟

摘要

蒸汽透平内湿蒸汽两相流动会引起蒸汽透平效率降低和叶片磨蚀。从本质上来讲，存在自发凝结的湿蒸汽两相流动是一种非平衡过程，它主要体现在两个方面，一方面液滴温度与其周围蒸汽温度存在着差异，称之为热不平衡，另一方面液滴和蒸汽之间存在速度滑移，称之为动力不平衡。偏离了平衡态的湿蒸汽两相凝结流动对蒸汽透平内的流动有着重要的影响，由于凝结引起的相间的质量、动量、能量传递以及这个热力不可逆过程本身都会改变蒸汽透平内部的流动特性。如果能够准确的描述由自发凝结引起的这个非平衡过程，并在在设计过程中加以考虑，则极有可能提高蒸汽透平的效率。
　　本文基于双流体的概念和存在自发凝结湿蒸汽两相流动的特点，给出了适用于湿蒸汽两相流动的双流体模型，考虑了由于相变引起的气液两相之间质量、动量、能量的转移以及气液两相之间的速度滑移。对于两相湍流及其相互作用的封闭模型，针对气相给出了适用于双流体模型的带旋流修正的 k-ε模型，而对于液相，直接使得液相湍流粘性系数与气相湍流粘性系数相等。作者以商用软件 FLUENT为求解平台，利用 FLUENT提供的二次开发接口，将上述描述湿蒸汽两相流动的双流体模型在FLUENT求解器中实现。
　　针对所开发的双流体模型，分别在存在自发凝结的喷管和二维叶栅中做了模型验证。为了考虑自发凝结引起的非平衡过程和速度滑移对蒸汽透平内流动的影响，本文又在双流体模型的基础上给出了不考虑自发凝结和不考虑速度滑移的两种计算模型，探讨了自发凝结以及速度滑移这两种因素对叶栅出口气相总压以及其它参数的影响。
　　本文还利用推导得到的双流体模型对某汽轮机静叶内部存在自发凝结的湿蒸汽两相流动进行了数值模拟，考察了三维流动中自发凝结对蒸汽透平内流动的影响，着重进行了流场分析以及凝结对静叶出口气动参数的影响。

目录

基于双流体模型的湿蒸汽两相流动

A NUMERICAL SIMULATION OF WET STEAM FLOW BASED ON DUAL FLUID MODEL

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪 论

1.1 湿蒸汽两相流动研究的背景及意义

1.2 凝结成核及水滴生长模型的发展

1.3 多相流模型及湿蒸汽两相流动数值模拟发展

1.4 本文结构

第2章 基于双流体模型的湿蒸汽两相流动模型推导

2.2 气体状态方程和热力学参数

2.1 凝结成核及水滴生长模型

2.3 湿蒸汽两相流动中液滴的阻力性质

2.4 湿蒸汽两相流动控制方程推导

2.5 湿蒸汽两相流动湍流模型

2.6 本章小结

第3章 UDS 模块及双流体模型的实现

3.1 User-Defined Function（UDF）介绍

3.2 User-Defined Scalar（UDS）介绍

3.3 双流体模型在FLUENT 求解器中的实现

3.4 本章小结

第4章 数值模型验证及分析

4.1 概述

4.2 拉伐尔喷管内湿蒸汽两相凝结流动

4.3 Bakhtar 二维叶栅内湿蒸汽两相凝结流动

4.4 White 二维叶栅内湿蒸汽两相凝结流动

4.5 本章小结

第5章 基于双流体模型的汽轮机末级静叶流动分析

5.1 概述

5.2 静叶网格和边界条件

5.3 数值模拟结果和分析

5.4 本章小结

结 论

参考文献

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明

致 谢