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蒸汽自發(fā)凝結(jié)數(shù)值模擬中液滴表面張力修正系數(shù)的確定方法(一)

來源: 瀏覽 13 次 發(fā)布時間:2026-03-24


摘要


蒸汽自發(fā)凝結(jié)過程具有明顯的非平衡特性,對凝結(jié)過程的預(yù)測存在困難。基于非平衡凝結(jié)模型,采用表面張力修正系數(shù)來修正液滴表面張力,并對Laval噴管及平面葉柵內(nèi)蒸汽自發(fā)凝結(jié)流動進(jìn)行多工況數(shù)值模擬。分析了表面張力修正系數(shù)對蒸汽凝結(jié)流動模擬精度的影響,著重討論表面張力修正系數(shù)的最佳取值與蒸汽膨脹速率、進(jìn)口參數(shù)的相關(guān)性,并研究其隨進(jìn)口參數(shù)的變化規(guī)律。結(jié)果表明:相同工況下,表面張力修正系數(shù)最佳取值對蒸汽膨脹速率變化不敏感,與進(jìn)口總溫相關(guān)性不顯著,而與進(jìn)口總壓呈顯著正相關(guān);基于數(shù)值計(jì)算結(jié)果,通過擬合出的表面張力修正系數(shù)最佳取值與進(jìn)口總壓的三次關(guān)系曲線,可在進(jìn)口總壓為1.5×104~9.8×104 Pa范圍內(nèi)確定表面張力修正系數(shù)最佳取值范圍,為汽輪機(jī)低壓級濕蒸汽流動數(shù)值模擬提供依據(jù)。


符號說明


a—表面張力修正系數(shù) J—單位體積、單位時間生成的液滴數(shù)量,個/(m3·s) ε—非等溫修正系數(shù)


r—液滴半徑,m t—時間,s qc—凝結(jié)系數(shù),本文取1.0


ρ—密度,kg/m3 T—溫度,K kg—蒸汽導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K)


v—速度,m/s K—玻爾茲曼常數(shù),J/K


r*—液滴臨界半徑,m Tc—臨界溫度,647.096 K 下標(biāo):


σ—液滴表面張力,N/m Kn—克努森數(shù) l—液相


h—靜焓,J/kg ΔT—過熱度,K g—?dú)庀?


S—過飽和比 m—單個水分子質(zhì)量,kg s—飽和狀態(tài)


σ0—平面水表面張力,N/m p—壓力,Pa 0—滯止?fàn)顟B(tài)


2—出口狀態(tài)


濕蒸汽凝結(jié)是動力機(jī)械領(lǐng)域常見的一種流動現(xiàn)象。汽輪機(jī)中濕蒸汽流動主要帶來2個問題:一方面,濕蒸汽中夾帶的液滴使動葉產(chǎn)生水蝕,威脅汽輪機(jī)的安全運(yùn)行;另一方面,濕蒸汽的出現(xiàn)大大降低了級的工作效率。Baumann早在1910年就提出汽輪機(jī)級內(nèi)出現(xiàn)1%的濕度可能使效率降低1%。因此,研究濕蒸汽的流動問題對于提高汽輪機(jī)效率和安全運(yùn)行有重大意義。


由于蒸汽快速膨脹以及缺少足夠的外來核心,蒸汽在跨過飽和線后不會立即出現(xiàn)濕度,而是繼續(xù)膨脹達(dá)到某一極點(diǎn)(Wilson點(diǎn))后才會自發(fā)凝結(jié),產(chǎn)生大量的小液滴。這一自發(fā)凝結(jié)過程是熱力學(xué)非平衡過程。自20世紀(jì)以來,國內(nèi)外學(xué)者對該過程進(jìn)行了研究,在濕蒸汽流動模型、凝結(jié)成核模型、液滴生長模型方面取得一定的成果,并通過實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬的方法探討蒸汽凝結(jié)成核現(xiàn)象及濕蒸汽參數(shù)的變化規(guī)律。


隨著計(jì)算流體動力學(xué)(CFD)技術(shù)的發(fā)展,數(shù)值模擬已成為濕蒸汽研究的主要手段,但有學(xué)者發(fā)現(xiàn)CFD結(jié)果有時與實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)并不一致。Eberle等對某蒸汽透平模型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究,發(fā)現(xiàn)2種研究方法得到的汽輪機(jī)末級局部濕度、液滴數(shù)目及液滴直徑均存在明顯差異。作者同時提到,即使對于噴管內(nèi)的濕蒸汽流動,數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也存在誤差。學(xué)者們分析認(rèn)為目前所采用的濕蒸汽流動模型及凝結(jié)成核模型尚不能精準(zhǔn)模擬高速蒸汽真實(shí)的凝結(jié)流動過程。為提高汽輪機(jī)內(nèi)濕蒸汽流動的模擬精度,學(xué)者們往往利用噴管實(shí)驗(yàn)對數(shù)值方法進(jìn)行驗(yàn)證,以選取合適的濕蒸汽流動數(shù)值計(jì)算方法或修正成核模型。


蒸汽凝結(jié)成核模型中包含有助于標(biāo)定的經(jīng)驗(yàn)校正參數(shù),因此,與其改進(jìn)濕蒸汽流動模型,在已發(fā)展成熟的濕蒸汽流動模型基礎(chǔ)上修改凝結(jié)成核模型更方便。目前,凝結(jié)成核模型中的凝結(jié)系數(shù)和液滴表面張力存在較大爭議,往往通過調(diào)整系數(shù)并引入修正因子的方法來提高濕蒸汽流動預(yù)測的精度。王智在模擬某一噴管內(nèi)蒸汽凝結(jié)過程時,將凝結(jié)系數(shù)由1.0調(diào)整至0.95,獲得了與實(shí)驗(yàn)相吻合的數(shù)值解。Grübel等在非等溫成核模型的指數(shù)項(xiàng)中引入修正因子f,在f=1.33時較好地預(yù)測了蒸汽凝結(jié)成核位置,同時發(fā)現(xiàn)該修正因子對凝結(jié)位置的預(yù)測精度隨工況變化而變化。同時,Grübel等修正了液滴表面張力表達(dá)式,將式中的液滴溫度用蒸汽溫度替換,并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,表明該修正方法明顯提高了數(shù)值模擬精度。Moraga等對某二維葉柵中蒸汽凝結(jié)流動現(xiàn)象進(jìn)行了數(shù)值研究,結(jié)果表明當(dāng)給定表面張力修正系數(shù)a為0.95時模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好,而于新峰模擬Laval噴管及二維葉柵中蒸汽凝結(jié)流動時,采用的a=1.07。Li等在采用于新峰推薦的a=1.07的同時運(yùn)用了Grübel提出的具有修正因子的成核模型,并提出f=0.64時能更好地預(yù)測凝結(jié)位置。余興剛模擬了Laval噴管和平面葉柵中的非平衡凝結(jié)流動,通過調(diào)整a得到與實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)一致的結(jié)果。


從已有文獻(xiàn)看,學(xué)者們選擇的修正方法與獲得的修正系數(shù)并不一致。另外,對于液滴表面張力修正系數(shù)的取值與哪些參數(shù)的相關(guān)性更顯著以及是否具有普適性的取值規(guī)律等問題也沒有進(jìn)行系統(tǒng)的研究。筆者采用數(shù)值方法研究液滴表面張力修正系數(shù)對蒸汽凝結(jié)流動的影響,討論表面張力修正系數(shù)的最佳取值與蒸汽膨脹速率、進(jìn)口參數(shù)的相關(guān)性,并研究其隨進(jìn)口參數(shù)的變化規(guī)律。



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