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《中国科学院研究生院(工程热物理研究所)》 2002年
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非平衡态湿蒸汽流动快速准确数值模拟方法研究

张冬阳  
【摘要】: 本文主要工作是非平衡态湿蒸汽流动快速准确数值模拟方法(FAWS)的研究。提出了蒸汽相对饱和湿度(过渡函数)的定义并采用了分区计算的方法。生成水蒸汽性质表并应用于数值模拟以加速计算。以解析化的Wilson点参数计算非平衡态剧烈凝结位置并采用极限过冷度随迭代过程动态计算的方法以使计算准确。发展了非平衡态剧烈凝结时间关于压力和膨胀率的拟合式。推导了膨胀率的散度表达式并采用了膨胀率的通量积分型数值计算方法。通过对叶片尾缘后周期性边界上过渡函数的平均和过渡函数场的二次计算,使干、湿蒸汽共存条件下的周期性边界条件保持成立。 FAWS首先在准三维S1流面计算中发展和应用。计算了Moore喷管和Bakhtar叶栅凝结流,并与实验数据进行了对比,得到了很好的计算与实验压力的一致性及丰富的流动参数分布。FAWS与求解水滴数目与半径方程两种方法的计算结果的对比说明,FAWS的精度足够高而可以满足工程和科研的需要。另外,还比较全面地分析了凝结流相关的参数分布及其作用。 FAWS进一步发展到三维粘性计算阶段,并开发了平衡态凝结和全干蒸汽计算功能。计算了一实际运行200MW汽轮机组低压缸的初始凝结级内的流动,捕捉到了叶片内的非平衡态凝结现象。分析了三维叶片内湿蒸汽流动的主要参数的分布及影响,并得出了对叶片设计有价值的结论。 对湿蒸汽流动计算的过渡函数方程方法也进行了发展和分析。 本文在自发凝结的理论方面进行了探索,推导了Wilson点、最低压力点和最低温度点的空间顺序,首次证明了该三点不重合,并得到了Wilson点附近区域湿度表达式,对最低压力点还得到了准确的指数型表达式。对气液两相非定常一元流动的主控制方程找出了两套比较完整的可用的代数显式解析解。本文还探索了水蒸汽性质制表的特点,制成了两类水蒸汽性质表格并应用于数值计算,该表格及相应的插值方法具有高精度和高效率的特点。编制了采用四阶 WP=3 Runge-Kutta法的一元凝结流计算程序,并在一元动量方程中引入了滑移因子B,以模拟汽液两相速度差存在时的流动。推导了考虑实际气体性质和不忽略液相比容的临界水滴半径计算式。
【学位授予单位】:中国科学院研究生院(工程热物理研究所)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2002
【分类号】:TK261

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