(完整版)湿蒸汽在喷管内流动数值模拟研究毕业设计

河北工业大学

毕业论文

作者：李慧学号： 110631

学院：能源与环境工程学院

系(专业)：热能与动力工程

题目：湿蒸汽在喷管内流动数值模拟研究

指导者：陈占秀副教授

(姓名) (专业技术职务)

评阅者：

(姓名) (专业技术职务) 2015年 5月 25日

毕业设计（论文）中文摘要

毕业设计（论文）外文摘要

目录

1 引言 (1)

1．1 湿蒸汽两相非平衡凝结流动的研究背景及意义 (1)

1.1.1 研究背景 (1)

1.1.2 研究意义 (2)

1．2 湿蒸汽两相非平衡凝结流动的研究现状 (2)

1.2.1 国内研究现状 (3)

1.2.2 国外研究现状 (3)

1．3 喷管简介 (3)

1.3.1 喷管简述 (3)

1.3.2 喷管类型 (4)

1．4 本课题研究的主要内容、目的及方法 (5)

2 数值计算方法简介及喷管建模 (5)

2.1 数值计算方法简介 (5)

2.1.1 有限差分法 (5)

2.1.2 有限元法 (6)

2.1.3 有限分析法 (7)

2.1.4 有限容积法 (7)

2.2 喷管内湿蒸汽流动的数值模型 (8)

2.2.1 湿蒸汽流动的控制方程 (8)

2.2.2 相变模型与方程 (9)

2.2.3 水蒸气状态方程 (9)

2.3 喷管物理模型的建立以及网格划分 (11)

2.3.1 构建物理模型 (11)

2.3.2 在GAMBIT中进行网格划分 (11)

2.4 构建喷管的数学模型 (13)

2.5 求解器的设置 (14)

3 蒸汽在喷管内的数值模拟结果分析 (15)

3.1 蒸汽在喷管中流动状况分析 (15)

3.1.1 喷管中气体流动的基本原理 (15)

3.1.2 渐缩喷管中蒸汽两相参数的分布 (16)

3.1.3 缩放喷管中蒸汽两相参数的分布 (23)

3.2 进口过热度对拉瓦尔喷管自发凝结的影响 (29)

3.3 进口压力对拉瓦尔喷管自发凝结的影响 (30)

结论 (32)

参考文献 (33)

致谢 (34)

1 引言

水蒸气的凝结过程就是从气相变到液相的过程。在生活中，水蒸气的凝结是十分常见的，比如在天空中漂浮着的云、平常能够看得见的雾以及飞机跨音速飞行的机翼或者是飞机在尾部“拉出”的“白带”等。由于在工程技术中，水蒸气的广泛应用，水蒸气的自发凝结现象在这些个领域中，也是非常普遍的现象，比如火力发电厂中的动力设备汽轮机、缩放喷管中的蒸汽流动、超音速风洞、在核安全工程中，蒸汽喷射泵的流场中几乎都有水蒸气自动凝结现象的发生[1]。

1．1 湿蒸汽两相非平衡凝结流动的研究背景及意义

1.1.1 研究背景

电力工业随时关乎着国计民生，属于基础工业之一，国民经济的发展直接受其影响。汽轮机是电力工业极其重要的动力设备，在1997年，与它相关的发电量约为总发电量80%；该情况尤为在我国突出，在1999年底，在以汽轮机为主导的火力发电量电量的85%[2]。在动力、电力的行业中，随着汽轮机的出现，湿蒸汽两相流动问题也产生了。在膨胀过程中，蒸汽产生的两相流动对装置的流动性能影响非常的大。当蒸汽在饱和状态继续膨胀时，并不会立刻就会凝结，而是按照之前的规律继续发生膨胀，从而偏离平衡态。当达到一定的限度后，这种不平衡态会使得凝结出来大量小水滴，同时蒸汽流动中释放出大量的潜热，形成凝结冲波，随之而来蒸汽流动变为两相流动。

湿蒸汽凝结带来一些问题，一方面是在汽轮机中，蒸汽凝结所产生的或者是湿蒸汽在进入汽轮机时所带入的水分，会降低机组效率；另一方面

是湿蒸汽内的小水滴可能导致汽轮机的低压级动叶损坏。目前甚至今后的相当长时间内，汽轮机在电力行业的重要的地位难以动摇。火电厂中的大功率凝汽式汽轮机的低压缸，以及水冷堆核电汽轮机全部级，都在湿蒸汽区域工作，由于级内的两相流动，在经济性的损失将会不可低估。因此，了解了在汽轮机内湿蒸汽内的状态，设法去解决这些问题就迫在眉睫的摆在了各个科研者的面前。

1.1.2 研究意义

从设计的角度看，汽轮机整个装置中，由于出很大部分力的低压汽轮机内，后几级的流动不会再是单相过热的蒸汽流动，反而伴随有相变以及湿蒸汽在传热过程的两相非平衡流动，所以流动机理相当复杂[3]。因此，利用数值模拟的方法研究湿蒸汽流动的规律是很有意义的。提高透平效率，产生的经济效益以及社会效益很是可观的。对蒸汽两相非平衡流动的机理进行深刻研究，通过整体优化透平流通部分，使得有效的控制湿度，提高透平效率。该研究领域是一个非常值得研究的领域。湿蒸汽两相非平衡凝结流动的数值模拟研究，能够有效地指导汽轮机通流部分和除湿装置的设计，提高透平效率和运行安全性[4]。

1．2 湿蒸汽两相非平衡凝结流动的研究现状

在透平中由于负载的湿蒸汽的两相流动，早期，对该问题的深入探究很是困难。在工业界，早在1910年湿蒸汽的透平设计中所遵循的BAUMANN 法则就已经确立了，然而人们在最近几年，确立背后所用的详细机理才开始有所了解[5]。湿蒸汽自发凝结两相流动非常复杂，其计算涉及到：气体动力学、相变理论、统计热力学和计算流体动力学等知识，同时，在对湿蒸汽的两相流动研究的过程中，又提出了新的涉及这些学科的问题，这也促进了各个学科的快速发展。在早期，对该问题的深入探究很是困难，建立比较合适的数值模型是进行该研究的有效可行的方法。

1.2.1 国内研究现状

在国内， 80 年代初，西安交通大学的蔡颐年教授带领大批的学者开展了与之相关的研究[6]；王乃宁、蔡小舒教授等在上海理工大学也对湿蒸汽凝结流动的现象进行了深入的研究；此外，还有中科院的工程热物理研究所同华北电力大学等，在这方面也进行了与之相关的研究。但是不论是在国内还是在国外，对非平衡的凝结流动的研究还是无法满足工程设计中透平的需要。由于在透平机械中湿蒸汽的非平衡凝结有着非常重要的作用，某些制造商也积极参与大学的研究，其中，西安交通大学与日本日立公司就展开了国家性的合作研究[7]。其研究成果为湿蒸汽两相非平衡流动打下了坚实基础，积累了丰富的经验。

1.2.2 国外研究现状

在国外，比利时的冯卡门研究所、英国的中央电业研究实验室、莫斯科的动力学院、剑桥大学的惠特勒实验室、伯明翰大学、亚琛大学、日本的东北大学和波兰、捷克的某些研究机构以及一些大学都开展了许多关于湿蒸汽凝结的相关实验以及数值研究方面的工作[8]。

Wilson早在 1897 年，就在研究湿蒸汽凝结成核的问题时，引入了膨胀云室的方法。后来又经过Allard 和 Kassner[9]的进一步研究，得出了蒸汽凝结的成核率的计算方法。1939年，Langsdorf[10]发明了扩散云室法，用于对对整个实验过程的观察，此方法在凝结成核领域得到了广泛应用[9-10]。

1．3 喷管简介

1.3.1 喷管简述

喷管是能够降压增速气流的管道。在火力发电中所用喷管主要是是渐缩喷管和缩放喷管（也叫拉瓦尔喷管）。