多分散液滴对涡轮叶栅湿蒸汽流冲蚀速率和凝结损失影响的数值研究

耿建华

摘要：在各种技术和环境过程中对冷凝流的综合感知是至关重要的，也是许多设计工程师的主要关切。由于过程的高度复杂性和缺乏先进的实验技术来检查所涉及的每一个细节，涉及冷凝的流动对设计师和科学家来说都是具有挑战性的。均匀成核过程形成的自发缩合是各种应用中常见的现象。在汽轮机流动中，凝结现象引起复杂的液滴光谱可以跨越两个数量级以上的大小。液滴尺寸的分布是解决和最小化涡轮机蒸汽中湿蒸汽效应的基本信息。湿蒸汽的影响是能量损失、叶片侵蚀和由于相变区的腐蚀效应而导致的叶片失效，从而导致涡轮增压减少效率和可靠性。

Abstract： The condensation phenomenon in the steam turbines creates a complex spectrum of droplet size. As known， the droplet size distribution can provide important information for steam turbine designers. In simulations， droplets radius are often modeled in the monodispersed model. One size of droplet radius is reported at each location in this model. In the presented study， a new method is presented for grouping droplets into polydispersed model and comparing with monodispersed model. The nucleation zone is geographically divided into 20 parts. The droplets are produced and create a group from the nucleation phenomenon at each part. The results indicate that the droplets that are produced at the beginning of the nucleation zone have the largest size. Also， other droplets that are produced at the end of the nucleation zone have the smallest size. The droplets that are produced at maximum nucleation rate have the greatest effect on erosion rate and condensation loss. The average droplet radius in the polydispersed model is smaller than the monodispersed model. In the proposed method， it is improved 49%.

關键词：多分散液滴;冲蚀速率;凝结损失

1  汽轮机叶片性能的模拟和改进

汽轮机叶片性能的模拟和改进被许多研究人员考虑。在汽轮机中，过热蒸汽可以在以后进入低压阶段，通过高压和中压阶段。随着压力和温度的迅速降低，涡轮叶片超音速流动中干蒸汽的膨胀发生了。这种温度降低持续到流体温度远小于其压力对应的饱和温度。这就是非平衡状态，被称为过度冷却。在这些条件下，由于液滴的成核和凝结，蒸汽可以接近平衡状态，并提供了两相流动。

在这些条件下，由于液滴的成核和凝结，蒸汽可以接近平衡状态，并提供了两相流动。研究表明，当然刀片会有更多的损坏。可以说，这些叶片中超过50%的失能取决于腐蚀、应力腐蚀和疲劳腐蚀等机制。低压叶片会由于与水滴的碰撞而产生侵蚀。侵蚀在叶片表面提供了一些孔，这些孔是叶片断裂的原因。很明显，在相同的湿度条件下，较小的液滴提供较少的机械损伤。在实际湿蒸汽流中，叶片中产生了较宽的液滴半径谱和侵蚀谱。速率取决于液滴大小和液体质量分数。在大多数研究中，假设在每个控制体积的末端平均液滴半径是为了简单。

冷凝相变中不可逆的内部传热产生熵，这是热力学损失的原因。此外，释放产生的潜热，液滴的快速生长增加了温度和流动压力，而非等熵和不缩合膨胀流入。压力的增加被称为冷凝冲击，这降低了流出率，造成了气动损失。1%的湿度的存在可以降低1%的效率。为了对冷凝现象进行数值研究，在涡轮叶片和喷射器喷嘴许多类型的研究中采用了单分散方法。在这种方法中，报告了每个位置的液滴大小的值。

关于汽轮机的实验室证明代表了尺寸光谱半径的存在，光学测量表明，在涡轮机中，半径分布非常宽，液滴没有相同的半径。沃尔特斯测量了500兆瓦汽轮机低压阶段的水滴半径，它表明了用于模拟非平衡冷凝现象的单分散模型无法预测这种类型的液滴尺寸分布。

两相流中最重要的项目之一是液滴尺寸分布参数。在汽轮机叶片的液滴尺寸分布中，有必要进行计算，设计人员使用额外的解决方案来提高组件的可靠性和耐久性。湿蒸汽流中不同尺寸的液滴的存在导致研究人员提出了液滴分组等不同的解决方案对这些液滴进行建模。

单分散模型具有计算时间短等优点，但不能表示液滴尺寸分布的信息。在单分散模型中，核半径离子区是利用成核液滴和从先前控制体积生长的液滴的质量平均得到的。

最后，报告每个位置的半径值。在完全多分散的方法中，假设成核区中每个控制体积的有核液滴不做质量平均，在下一个控制体积和每个控制体积创建一个液滴组。在本研究中，提出了一种新的欧拉-欧拉方法中的多分散方法。因此，在本研究中，为了减少常规的时间消耗。等分散法，成核区被几何地划分为20个部分，每个部分的有核液滴被放置在这些基团中的中。

对于每一组，求解液滴数和液体质量分数的方程，每一组生长到叶片的末端。因此，每个液滴群都是根据半径、温度、湿度和液滴数，考虑到20个液滴群的数量，报道了半径的20个尺寸。讨论了液滴半径的分布、凝结损失和各液滴组的侵蚀速率，并对多分散方法的建模结果进行了讨论，与单分散方法进行了比较。采用单流体法和形核方程，可实现的k-ε湍流模型，对湿蒸汽进行了模拟。

2  液滴的多分散建模

在欧拉-欧拉方法中，采用多分散模型和单分散模型对冷凝蒸汽流动中的液滴半径进行了模拟。在多分散模型中，液滴半径存在一定的尺寸范围，，但在单分散模型中，所有液滴都具有相同的尺寸。叶片中心线和塔比端附近的液滴尺寸分布在湿蒸汽流中，在没有外来颗粒的情况下，在成核区和该区域之外产生液滴，没有液滴。创造的。成核区是计算域中的一个小区域，在该区域中产生的液滴具有不同的尺寸。

有两种方法对液滴进行多分散建模，以获得液滴的尺寸分布。在第一种方法中，在成核区产生的液滴被分成一些基团和组，每组分别求解湿度方程、液滴数、液滴生长方程和液体温度方程，演示了这种多分散模型的方法。

在这种方法中，在每个控制体积下从成核区产生的液滴被收集在一组中，该组生长到涡轮叶片的末端，没有质量平均来平衡生长的液滴半径与由成核现象产生的液滴。

在这种方法中，根据成核区中假定的控制体积的数目来创建基团。这种方法从未用于任何研究。在二维和三维模型中使用该模型是非常困难的，它有很多计算成本。

参考文献：

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