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蒸汽喷射凝结流动模拟研究

张军强  
【摘要】:水蒸气非平衡凝结现象广泛存在于电力、化工、制冷等工程领域,其产生的影响也越来越受到重视,比如在蒸汽轮机中,不仅会降低机组效率,还会对叶片产生水蚀破坏。水蒸气在跨声速流动中,由于快速膨胀极易发生非平衡凝结现象,而凝结不仅涉及相变、传热、传质等问题,还涉及到凝结激波、气动激波、边界层等之间的相互作用等问题,使得流动过程相当复杂,这也使得此领域内的研究相当活跃。 以现有CFD数值模拟软件为平台,本文通过引入水蒸气非平衡凝结模型和水蒸气真实热力学性质模型,建立了考虑凝结过程的水蒸气非平衡凝结流动数值模型(双流体数值模型),并进行了验证,证明了所建数值模型的准确性和可靠性,在此基础上对喷管和水蒸气喷射泵内高速蒸汽喷射非平衡凝结流动进行了数值模拟研究,内容如下: (1)以现有实验数据,对所建立的考虑凝结过程的水蒸气非平衡凝结流动数值模型进行了准确性和可靠性验证。 (2)基于蒸汽喷射泵结构设计理论,结合水和水蒸气热力学性质计算公式IAPWS-IF97,将水蒸气的热力学性质计算和设计理论程序化,建立了蒸汽喷射泵结构尺寸计算程序,并通过算例进行验证了喷射器计算程序具有较高的准确性和可靠性。 (3)基于水蒸气非平衡凝结流动数值模型,在真实蒸汽性质下对喷管内跨声速水蒸气非平衡凝结流动过程进行数值模拟研究,分析了水蒸气非平衡凝结和凝结激波的产生过程和原因,结合压力、速度、温度、凝结等流场的变化,研究了进口压力、进口温度、背压和表面张力对喷管内跨声速非平衡凝结流动的影响,详细讨论了工作参数对凝结、凝结激波和气动激波的影响规律,以及凝结激波与气动激波之间相互作用的规律。 (4)基于水蒸气非平衡凝结流动数值模型,研究水蒸气喷射器内部凝结流动,以及在真实蒸汽性质下喷射器背压、进口工作蒸汽压力、进口工作蒸汽温度和混合室等径段长度对水蒸气喷射器内部凝结流动和工作性能的影响。分析了水蒸气喷射器内凝结、气动激波等现象受工作参数和结构参数的影响规律。


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