多分散液滴對渦輪葉柵濕蒸汽流沖蝕速率和凝結損失影響的數值研究

耿建華

摘要：在各種技術和環境過程中對冷凝流的綜合感知是至關重要的，也是許多設計工程師的主要關切。由于過程的高度復雜性和缺乏先進的實驗技術來檢查所涉及的每一個細節，涉及冷凝的流動對設計師和科學家來說都是具有挑戰性的。均勻成核過程形成的自發縮合是各種應用中常見的現象。在汽輪機流動中，凝結現象引起復雜的液滴光譜可以跨越兩個數量級以上的大小。液滴尺寸的分布是解決和最小化渦輪機蒸汽中濕蒸汽效應的基本信息。濕蒸汽的影響是能量損失、葉片侵蝕和由于相變區的腐蝕效應而導致的葉片失效，從而導致渦輪增壓減少效率和可靠性。

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%.

關鍵詞：多分散液滴;沖蝕速率;凝結損失

1 ?汽輪機葉片性能的模擬和改進

汽輪機葉片性能的模擬和改進被許多研究人員考慮。在汽輪機中，過熱蒸汽可以在以后進入低壓階段，通過高壓和中壓階段。隨著壓力和溫度的迅速降低，渦輪葉片超音速流動中干蒸汽的膨脹發生了。這種溫度降低持續到流體溫度遠小于其壓力對應的飽和溫度。這就是非平衡狀態，被稱為過度冷卻。在這些條件下，由于液滴的成核和凝結，蒸汽可以接近平衡狀態，并提供了兩相流動。

在這些條件下，由于液滴的成核和凝結，蒸汽可以接近平衡狀態，并提供了兩相流動。研究表明，當然刀片會有更多的損壞。可以說，這些葉片中超過50%的失能取決于腐蝕、應力腐蝕和疲勞腐蝕等機制。低壓葉片會由于與水滴的碰撞而產生侵蝕。侵蝕在葉片表面提供了一些孔，這些孔是葉片斷裂的原因。很明顯，在相同的濕度條件下，較小的液滴提供較少的機械損傷。在實際濕蒸汽流中，葉片中產生了較寬的液滴半徑譜和侵蝕譜。速率取決于液滴大小和液體質量分數。在大多數研究中，假設在每個控制體積的末端平均液滴半徑是為了簡單。

冷凝相變中不可逆的內部傳熱產生熵，這是熱力學損失的原因。此外，釋放產生的潛熱，液滴的快速生長增加了溫度和流動壓力，而非等熵和不縮合膨脹流入。壓力的增加被稱為冷凝沖擊，這降低了流出率，造成了氣動損失。1%的濕度的存在可以降低1%的效率。為了對冷凝現象進行數值研究，在渦輪葉片和噴射器噴嘴許多類型的研究中采用了單分散方法。在這種方法中，報告了每個位置的液滴大小的值。

關于汽輪機的實驗室證明代表了尺寸光譜半徑的存在，光學測量表明，在渦輪機中，半徑分布非常寬，液滴沒有相同的半徑。沃爾特斯測量了500兆瓦汽輪機低壓階段的水滴半徑，它表明了用于模擬非平衡冷凝現象的單分散模型無法預測這種類型的液滴尺寸分布。

兩相流中最重要的項目之一是液滴尺寸分布參數。在汽輪機葉片的液滴尺寸分布中，有必要進行計算，設計人員使用額外的解決方案來提高組件的可靠性和耐久性。濕蒸汽流中不同尺寸的液滴的存在導致研究人員提出了液滴分組等不同的解決方案對這些液滴進行建模。

單分散模型具有計算時間短等優點，但不能表示液滴尺寸分布的信息。在單分散模型中，核半徑離子區是利用成核液滴和從先前控制體積生長的液滴的質量平均得到的。

最后，報告每個位置的半徑值。在完全多分散的方法中，假設成核區中每個控制體積的有核液滴不做質量平均，在下一個控制體積和每個控制體積創建一個液滴組。在本研究中，提出了一種新的歐拉-歐拉方法中的多分散方法。因此，在本研究中，為了減少常規的時間消耗。等分散法，成核區被幾何地劃分為20個部分，每個部分的有核液滴被放置在這些基團中的中。

對于每一組，求解液滴數和液體質量分數的方程，每一組生長到葉片的末端。因此，每個液滴群都是根據半徑、溫度、濕度和液滴數，考慮到20個液滴群的數量，報道了半徑的20個尺寸。討論了液滴半徑的分布、凝結損失和各液滴組的侵蝕速率，并對多分散方法的建模結果進行了討論，與單分散方法進行了比較。采用單流體法和形核方程，可實現的k-ε湍流模型，對濕蒸汽進行了模擬。

2 ?液滴的多分散建模

在歐拉-歐拉方法中，采用多分散模型和單分散模型對冷凝蒸汽流動中的液滴半徑進行了模擬。在多分散模型中，液滴半徑存在一定的尺寸范圍，，但在單分散模型中，所有液滴都具有相同的尺寸。葉片中心線和塔比端附近的液滴尺寸分布在濕蒸汽流中，在沒有外來顆粒的情況下，在成核區和該區域之外產生液滴，沒有液滴。創造的。成核區是計算域中的一個小區域，在該區域中產生的液滴具有不同的尺寸。

有兩種方法對液滴進行多分散建模，以獲得液滴的尺寸分布。在第一種方法中，在成核區產生的液滴被分成一些基團和組，每組分別求解濕度方程、液滴數、液滴生長方程和液體溫度方程，演示了這種多分散模型的方法。

在這種方法中，在每個控制體積下從成核區產生的液滴被收集在一組中，該組生長到渦輪葉片的末端，沒有質量平均來平衡生長的液滴半徑與由成核現象產生的液滴。

在這種方法中，根據成核區中假定的控制體積的數目來創建基團。這種方法從未用于任何研究。在二維和三維模型中使用該模型是非常困難的，它有很多計算成本。

參考文獻：

[1]鄭福維，王暉，施長宏，周立廷.汽車渦輪增壓器旁通閥敲擊渦殼噪聲優化研究[J].汽車實用技術，2018（14）：45-47.

[2]趙俊鑫，葛偉廷，齊洪波，汪記偉，楊萬里，王瑞平.淺析汽車發動機渦輪增壓器原理及故障[J].汽車實用技術，2018（10）：146-150.

[3]王巍，陳建設.基于CAD/CAE技術的汽車渦輪增壓器殼體快速鑄造工藝研究[J].熱加工工藝，2018，47（01）：109-112.