蒸汽及燃气透平内部真实气体流动问题的研究

论文题目: 蒸汽及燃气透平内部真实气体流动问题的研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 动力工程及工程热物理

作者: 林智荣

导师: 袁新

关键词: 透平,数值模拟,真实气体性质,湿蒸汽两相流,气膜冷却

文献来源: 清华大学

发表年度: 2005

论文摘要: 蒸汽透平中的湿蒸汽流动降低了级运行效率,同时也造成了叶片可靠性下降。由于湿蒸汽的性质极其复杂,且往往伴随着凝结相变的发生。目前对湿蒸汽流动的机理还缺乏全面的认识和相应的分析工具,设计者需要凭借经验对湿蒸汽级的设计参数进行修正。燃气透平中的燃气温度变化非常大,特别是在带有气膜冷却的前几级中,冷却气与燃气间约有700～800℃的温差,此时燃气不能简单的当作比热比为常数的完全气体处理。 考虑到蒸汽透平中的湿蒸汽与燃气透平中的高温变比热比燃气,其性质都与完全气体模型有很大的偏离,建立了可用于数值分析中描述湿蒸汽及变比热比燃气的真实气体模型。以LU-SGS-GE隐式格式为基础,重新构造了考虑真实气体性质的LU-SGS-GE-RG隐式格式。建立了湿蒸汽凝结流动的数理模型,其中包括Reynolds平均的Navier-Stokes方程、q-ω双方程湍流模式以及四方程凝结模型共11个偏微分方程,采用新的LU-SGS-GE-RG隐式格式以及高精度高分辨率的MUSCL TVD格式,编写了相应的数值求解软件包。对Laval缩放喷管中的湿蒸汽超音速自发凝结流动以及无限大平板上的气膜冷却流动进行的数值模拟验证了本文建立的数理模型以及相应数值算法的可靠性和精确度。 对某蒸汽透平末级中的湿蒸汽凝结流动进行了数值模拟,并将数值模拟得到的出口参数分布与实验测量值进行了详细的对比分析。实验测量值表明湿蒸汽级静叶出口处有较强的尾迹区,使用完全气体模型预测出的尾迹偏弱,而平衡态湿蒸汽模型则能够给出与实验相近的结果,由于实验没有测量出来流的水珠分布,本文假定的边界条件导致了该算例非平衡态湿蒸汽模型给出的结果介于上述两者之间。对流场的详细分析表明,非平衡态湿蒸汽模型对来流边界条件比较敏感。 最后本文数值模拟了某燃气透平叶栅中的气膜冷却流场,计算得到的气膜冷却效率与实验测量值有较好的一致性。 综上所述,本文建立的真实气体流动分析系统能够比较准确的模拟蒸汽及燃气透平中复杂的湿蒸汽和燃气流场,为进一步研究湿蒸汽流动的机理打下了良好的基础,同时也为蒸汽及燃气透平的设计优化提供了更准确的湿蒸汽流场及气膜冷却流场分析工具。

论文目录:

第1章 引言

1.1 选题背景

1.1.1 有关蒸汽湿度问题的简史

1.1.2 蒸汽湿度引起的效率降低

1.1.3 蒸汽湿度引起的侵蚀破坏

1.1.4 燃气透平中的气膜冷却

1.2 研究内容及文献综述

1.2.1 蒸汽湿度问题的工程处理

1.2.2 湿蒸汽两相流的实验进展

1.2.3 自发成核及水珠生长理论

1.2.4 湿蒸汽两相流的数值模拟进展

1.2.5 气膜冷却的研究进展

1.3 本文的主要工作及结构安排

1.3.1 论文的主要工作

1.3.2 论文的结构安排

第2章 数学物理模型及基本方程

2.1 基本控制方程

2.1.1 Navier-Stokes方程及其无量纲化

2.1.2 转动相对坐标系下的基本方程形式

2.1.3 任意曲线坐标系下的基本方程形式

2.1.4 以JU_i为容积通量的基本方程形式

2.1.5 考虑湍流模式和复杂流动模型的控制方程形式

2.2 气、液两相流动均相模型控制方程

2.3 湍流模式

2.4 真实气体模型

2.4.1 常见的气体模型简介

2.4.2 水及水蒸汽性质表IAPWS-IF97简介

2.5 自发凝结流动模型

2.5.1 经典成核理论及水滴生长模型

2.5.2 气、液两相凝结流动模型方程

第3章 考虑真实气体性质的高精度、高分辨率数值算法

3.1 基本差分计算格式

3.1.1 定常解的差分计算格式

3.1.2 非定常解的差分计算格式

3.2 左端项的处理

3.2.1 (?)_i矩阵的特征分裂

3.2.2 迭代扫描过程的加速

3.3 右端项的处理

第4章 程序验证

4.1 一维超音Laval喷管中的湿蒸汽自发凝结流动数值分析

4.1.1 计算网格及算例边界条件

4.1.2 数值分析结果及与实验结果的对比与分析

4.2 无限大平板上的气膜冷却效率的数值分析

第5章 蒸汽透平内的湿蒸汽流动的数值分析

5.1 末级静叶栅中的平衡态湿蒸汽流动数值分析

5.1.1 数理模型

5.1.2 计算网格及边界条件

5.1.3 计算结果及其与实验值的对比分析

5.2 末级静叶栅中的非平衡态湿蒸汽凝结流动的数值分析

5.2.1 数理模型

5.2.2 计算网格及边界条件

5.2.3 计算结果及其与实验值的对比分析

5.3 末级整级的非平衡态湿蒸汽凝结流动的数值分析

5.3.1 计算网格及边界条件

5.3.2 初步计算结果

第6章 燃气透平叶栅气膜冷却的数值分析

6.1 无气膜冷却的原始流场的计算

6.2 计算网格及边界条件

6.3 计算结果及其与实验测量值的对比分析

结论与展望

参考文献

致谢与声明

附录A

附录B

个人简历、在学期间的研究成果及发表的论文

发布时间: 2006-06-29

参考文献

• [1].中低热值燃料燃气透平流动与传热机理研究[D]. 邹歆.清华大学2013

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