基于双向流固耦合的湿蒸汽探针数值模拟研究

【摘要】：湿蒸汽对汽轮机组的经济性和安全性有至关重要的影响,国内外对于汽轮机湿蒸汽研究主要集中在光学探针实验和湿蒸汽两相流模拟两方面。湿蒸汽探针在汽轮机末级湿蒸汽流场内与湿蒸汽相互影响,本文采用双向流固耦合技术对该复杂三元流动问题进行了数值分析。利用ANSYS Workbench平台搭建了流固耦合模型,实现流场与固体场的双向耦合计算,针对流体网格围绕探针作了细致的分块工作,保证了近壁面网格的精细度和整体网格质量,采用基于湍流剪应力输运(SST)的k-ω模型和动网格技术以提高计算精度和加快收敛,稳态计算结果与边界层分离理论和漩涡脱落理论结果高度一致。利用稳态计算结果作为初始场进行双向流固耦合数值计算并分析探针振动和流场变化。结果表明:探针X、Y、Z三个方向的振动周期略有波动,约为0.018s。三个方向的最大振幅分别为0.28mm、4.75μm、5.50μm,X方向由于正对流体冲击,振幅远大于另外两个方向。其中X、Z方向振动基线偏移0点,Y方向由于探针两侧的周期性漩涡脱体,振动基线比较接近0点。由于光学探针特殊结构,探针前端测量区域的受到压差作用力很小,导致前端的形变量增长率有所降低,振动形态比较特殊。在探针振动周期内,探针的应力集中位置基本保持不变,即为探针背流方向的2/3分界点处,此处即为探针的危险应力点。探针振动频率偏离固有频率,最大应力低于许用应力。高雷诺数湍流下的固体振动近壁面流场造成激荡和变化,数值计算结果显示流场在间距很小两截面发生突变。探针的振动和流场在探针附近的变化都会对测量的安全性、准确性有一定影响。