混流式水轮机气液两相流数值模拟

论文摘要

气液两相流动现象广泛存在于自然界和现代工业生产过程中,与人类的生产和生活密切相关。目前,在化工、核能、制冷、石油和冶金等行业的许多生产设备中都涉及气液两相流动工况。在气液两相流研究的早期,由于缺乏气液两相流动和传热传质特性等方面的知识,曾发生过不少工业事故。气液两相流问题被明确地提出是在20世纪初的自然循环锅炉水力计算中。近年来,气液两相流研究更加深入,应用领域更广泛。目前气液两相流数值模拟成为计算流体力学领域中一个主要研究方向。对于气液两相流的数值模拟,首先要解决的就是建立气液两相流数学模型。完整的气液两相流流场计算模型包括运动方程式的模型化、边界条件的处理、数值计算方法、编制计算程序、计算结果可视化等内容。本文首先介绍了国内外气液两相流的研究动态,研究的数学模型以及方法,然后利用计算流体动力学软件CFX对水轮机全流道中气液两相流的流场进行了数值模拟分析,并且对尾水管部分进行了进一步研究。得到了一些有实际意义的结果。A)在水力机械中,空化现象及空蚀是非常有危害性的,是应当尽量减小及避免的。从我们的模拟结果中发现,在水轮机全流道的多处地方都有较明显的空化现象,例如,在固定导叶、活动导叶、转轮叶片以及尾水管中都可以看到,基本上达到了数值模拟的效果。B)汽蚀主要是由于压强变化引起的,即液体内局部压强降低到液体的饱和蒸气.压时,在液体内部或液固交界面上出现的蒸气或气体空泡的形成、发展和溃灭,进而引起流体边界的变形及材料剥蚀,数值模拟结果表明在叶片的下表面上形成负压,汽蚀将在这些部位产生,模拟的结果跟实验基本一致。C)由于在尾水管中形成了旋转涡带,会对设备等产生不利的影响。本文对尾水管进行了补气数值模拟。从模拟的结果可以看出,用十字架方式补气可以降低空化的危害,而且十字架装置本身也对涡带的产生起到了破坏的作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 多相流概述
• 1.2 气液两相流的发展
• 1.2.1 气液两相流模拟的研究进展
• 1.2.2 气液两相流研究方法
• 1.2.3 气液两相流研究模型
• 1.3 汽蚀（空化）概述
• 1.4 本论文主要内容
• 第二章 两相流的相关知识
• 2.1 两相流的定义和分类
• 2.1.1 两相流的定义
• 2.1.2 两相流的分类
• 2.2 两相流的特点
• 2.2.1 流型复杂多变
• 2.2.2 存在相间相互作用
• 2.2.3 数学描述难度大
• 2.2.4 物理参数多且变化大
• 2.2.5 阻力系数改变,能耗改变
• 2.2.6 有松弛现象
• 2.2.7 有电磁效应
• 2.3 两相流的参数
• 2.3.1 气相体积分数（void fraction）或空隙度（porosity）
• 2.3.2 流型
• 2.3.3 流量
• 2.3.4 速度
• 2.3.5 滑差和滑动比
• 2.3.6 含气率和含液率
• 2.4 气液两相流的流型及流型图
• 2.4.1 垂直上升管中的气液两相流流型及流型图
• 2.4.2 垂直下降管中的气液两相流流型
• 2.4.3 水平管中的气液两相流流型
• 第三章 气液两相流数值模拟方法及理论
• 3.1 多相流数值模拟方法
• 3.1.1 研究多相流的两种方法
• 3.1.2 相间交界面的处理
• 3.2 空泡动力学理论
• 3.2.1 理想空泡动力学基础
• 3.2.2 空泡动力学基础
• 3.3 多相湍流的雷诺平均速度场理论
• 3.3.1 多相流动的体积平均法
• 3.3.2 多相流动的基本方程
• 3.4 两相流动VOF模型
• 3.5 空化的基本概念及分类
• 3.5.1 游离型空化
• 3.5.2 固定型空化
• 3.5.3 旋涡型空化
• 3.5.4 振荡型空化
• 3.6 影响水力机械空化的因素及其危害
• 3.6.1 影响水力机械空化的因素
• 3.6.2 水力机械空化的危害
• 3.7 空化流动的基本方程及模型
• 3.7.1 两相空化流的Reynolds时均方程组
• 3.7.2 两相空化流的Reynolds应力输运方程
• g湍流模型'>3.7.3 两相空化流的RNG κ-ε-κ_g湍流模型
• 第四章 计算流体动力学软件CFX在多相流中的应用
• 4.1 CFX软件介绍
• 4.1.1 CFX软件的发展历史
• 4.1.2 CFX产品特点
• 4.1.3 CFX的求解功能
• 4.1.4 CFX的数值模拟流程
• 4.1.5 CFX在多相流的应用
• 4.2 用CFX模拟气液两相流的一个算例
• 4.2.1 模型及网格
• 4.2.2 初始边界条件
• 4.2.3 模拟结果
• （一） 模拟结果矢量图
• （二） 模拟结果云图
• （三） 模拟结果流线图
• （四） 体积比图
• 4.2.4 结论
• 第五章 混流式水轮机气液两相流数值模拟
• 5.1 引言
• 5.2 工程数据
• 5.3 建立的模型及网格
• 5.4 折算初始条件
• 5.5 全流道数值模拟的结果与分析
• 5.6 本章小结
• 第六章 尾水管补气数值模拟
• 6.1 水轮机尾水管简介
• 6.2 混流式水轮机补气装置
• 6.2.1 补气装置的作用
• 6.2.2 补气方式和补气位置
• 6.2.3 补气量与补气孔口尺寸选择
• 6.3 混流式水轮机尾水管补气数值模拟
• 6.3.1 尾水管补气装置的设计规范
• 6.3.2 模型及网格
• 6.3.3 初始边界条件
• 6.3.4 CFX求解设置
• 6.3.5 数值模拟的结果与分析
• 6.3.6 尾水管的进一步改进
• 6.3.7 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 论文研究的结果及相关结论
• 7.2 论文研究的不足之处
• 7.3 对气液两相流研究的展望
• 致谢
• 附录 攻读硕士期间发表论文
• 参考文献