Диссертация (Разработка и реализация методики определения параметров жидкой фазы влажно парового потока в элементах проточных частей турбомашин), страница 13

Основным отличием является то, что в случае срешеткой лазерный нож вводился через специальный зонд (позиция 5 наРисунке 2.26), который был расположен в задней стенке рабочей части, а несверху, как в случае с одиночным каналом. Подобная модификация схемысвязанастребованиемминимизироватьрасстояние,накотороераспространяется лазерный нож в двухфазной среде. По мере распространенияв потоке влажного пара, луч света рассеивается. Это приводит к ухудшениюкачества получаемых снимков засвеченных частиц дискретной фазы. На91Рисунке 2.28 представлена схема применения системы «Полис» приисследовании сопловой решетки.Рисунок 2.28.Схема применения системы лазерной диагностики2.1.7.

Методика измерения параметров течения влажно паровогопотокаИсследование процессов, протекающих в рассматриваемых каналах,проводилось при изменении начального состояния пара (перегрев вышетемпературы насыщения, насыщенный и влажный пар) и при различныхрежимах течения (дозвуковой и сверхзвуковой).Как отмечалось в разделе 2.1.1, величина перегрева пара вышетемпературынасыщенияустанавливаласьзасчетизменениярасходапитательной воды, подаваемой в первую и вторую ступени увлажнения (см.позиции 9, 10 на Рисунке 2.1). Перед исследуемым каналом формироваласьравновесная среда с начальным состояниям, лежащим выше линии насыщенияили на ней.

Температура полного торможения (Т0) перед объектами92исследования, как отмечалось выше, измерялась с помощью зонда, в которомбыла установлена термопара КТХК02.01-С10-И-1,0-1000/2000 (см. раздел2.1.2), передающая сигнал на измерительный комплекс МIC-300M. Значениеначального перегрева пара выше температуры насыщения определялосьследующим образом:Δ0 = 0 − 0 ,(2.9)где Т0 – температура торможения на входе в канал; Ts(p0) – температуранасыщения при давлении полного торможения пара перед каналом p0.При изменении степени влажности пара перед соплом (см.

раздел 2.1.1),давление на коллекторе питательной воды поддерживалось постоянным, чтообеспечивало неизменность расхода охлаждающей жидкости в первую ивторую ступени увлажнения. Необходимым условием подобия междуисследуемыми течениями влажного пара является постоянство дисперсногосостава среды перед каналом при изменении начальной степени влажности. Дляэтого массовая составляющая жидкой фазы в основном потоке увеличиваласьза счет включения дополнительной форсунки с тем же давлением питательнойводы на ней, а не за счет увеличения расхода питательной воды на однуфорсунку. Таким образом, обеспечивалась неизменность дисперсного составажидкой фазы, а средний диаметр капель в потоке перед соплом поддерживалсяв диапазоне от 26 до 30 мкм. Значение начальной степени влажностиопределялось по уравнению массового баланса:0 =пв −мб3к +мб1,(2.10)где y0 – начальная степень влажности пара; Gпв – расход питательной воды нафорсунки; Gмб3 – расход конденсата, оседающего в баке ресивере стенда КВП2; Gмб1– расход конденсата, оседающего за рабочей частью; Gк – расходконденсата, образованного в конденсаторе, определяемый с помощью мерногобака.Изменение режима течения при неизменности давления полноготорможения пара перед исследуемым каналом производилось за счет93регулирования давления в конденсаторе с помощью ухудшения или улучшениявакуума, поддерживаемого эжектором.

Таким образом, варьировалось значениестатического давления за исследуемым каналом ра, вследствие чего изменяласьвеличина теоретического числа Маха.2.2. Методика расчетных исследований2.2.1. Математическая модель расчетаДля расчѐтов течения влажного пара в рассматриваемых объектахиспользовался CFD код Ansys Fluent 14 со встроенной в нем математическоймоделью влажного пара (Wet – steam model).Решаетсянеразрывности,системаауравнений,такжеуравнениявключающаясохранениявсебяуравнениеколичествадвижения(осредненные по Рейнольдсу уравнения Навье-Стокса) и энергии.

Причисленном моделировании используется density based решатель, который спомощью метода конечных объемов производит расчет. Система уравнений винтегральной матричной форме для контрольного элемента объемом иплощадью поверхности имеет вид [91]: + − =,(2.11)где = , , , , ; здесь - давление среды; , , - скорости потока вдольтрех пространственных координат; - температура потока. Матрицаимеетследующий вид: = − 000000000 , + (2.12)где - плотность потока; - частная производная плотности по давлению припостоянной температуре; - частная производная плотности по температурепри постоянном давлении; - изобарная теплоемкость; = 1.

В уравнении(2.11) вектор = , + , + , + , + , где -94скорость потока; - удельная полная энергия. В уравнении (2.11) вектор = 0, , , , + , где - тензор вязких напряжений; - тепловойпоток. В уравнении (2.11) вектор H содержит дополнительные членыуравнения, такие как объемные, массовые силы, источники тепловой энергии итак далее.

Для учета эффектов вязкости и турбулентного перемешиваниясистема (2.11) замыкается дополнительными эмпирическими уравнениями,которые описывают модель турбулентности. Об этом более подробно будетописано в Главе 3.Модельматематическогоописаниявлажнопаровогопотока,используемая в данной работе, позволяет рассчитывать течение влажного пара,сопровождающееся неравновесными процессами, и основана на следующихдопущениях:-Скольжение между каплями воды и паром пренебрежимо мало.-Взаимодействием между каплями пренебрегается.-Максимальная степень влажности 20 %.-В связи с тем, что размеры капель малы, допускается, что объѐмжидкой фазы незначителен.Подобные упрощения, как отмечалось в Главе 1, позволяют представлятьтечение влажного пара как движение смеси двух сред – газовой и жидкой.Уравнение,описывающееосновныетермодинамическиехарактеристикитечения, было представлено в Главе 1 (см.

уравнение 1.7). Для учета наличиявлаги в потоке система (2.11) дополняется двумя уравнениями переноса [106].Первое из них описывает величину влажности:+ = Γ,(2.13)где - влажность; Γ – масса сконденсировавшегося пара и испарившейся водыв единице объема за единицу времени. Второе уравнение описывает изменениеконцентрации капель в потоке:+ = ρ,(2.14)95где – концентрация частиц дискретной фазы в единице объема; – количествообразовывающихся (исчезающих) частиц на единицу объема за единицувремени. Количество капель в единице объема определяется по формуле:=1− вп,(2.15)где в – плотность воды; п – плотность пара при заданных параметрах; –объѐм одной капли, который определяется следующим образом:4 = 3 ,(2.16)3где – средний радиус капель.Уравнения (2.13) и (2.14) дополняются выражениями для определениявеличин и Γ на основе классической неизотермической модели конденсации[91].2.2.2.

Расчетные схемы исследуемых объектовДлясозданиярасчетныхсхем,определяющихгеометриирассматриваемых каналов, использовался сеточный генератор Ansys ICEMCFD. В целях повышения качества используемых сеток, применялся блочныйподход. Создаваемые расчетные схемы являются двухмерными, а их ячейкипредставляют собой прямоугольники, углы которых максимально близки к 90 о.Для наиболее точного моделирования процессов в пристеночных зонах потока(пограничных слоев), вокруг твердых поверхностей создавалась густая сетка.Ее параметры были выбраны таким образом, что величина y+ непосредственнона стенке не превышала 1.На Рисунке 2.29 представлена расчетная сетка, используемая длямоделирования процессов, протекающих в сопле Лаваля (см. Рисунки 2.18 и2.19).

Она состоит из 206508 квадратичных ячеек. Наиболее мелкие элементысетки сконцентрированы в пристеночной области и непосредственно в самомканале в расширяющейся части, где будут формироваться скачки уплотненияна нерасчетных режимах работы сопла, а также скачки конденсации вследствиенеравновесных процессов конденсации.96На Рисунке 2.30 представлена расчетная сетка, используемая для расчетатечения в суживающемся канале (см.

Рисунки 2.21, 2.22). Она состоит из 27146квадратичных ячеек.На Рисунке 2.31 представлена расчетная сетка, используемая длямоделирования процессов в плоской изолированной сопловой решетке (см.Рисунки2.25Межлопаточный(граничное–2.27).каналусловиеОнасостоитсформированстенка)ииз34145квадратичныхнепосредственнопериодическимиячеек.самойлопаткойграницами,которыеобеспечивают бесконечную плоскую решетку.Важно отметить, что количество ячеек в представленных расчетныхсетках (кроме сетки сопла Лаваля, в которой было задано заведомо большоеколичество ячеек) выбралось расчетным путем. Вначале создавалась расчетнаяобласть с малым количеством элементов, на которой производилосьмоделирование, затем число ячеек увеличивалось (то есть уменьшались ихразмеры) и производился повторный расчет.

Эти действия повторялись до техпор, пока изменение густоты сетки не переставало влиять на результатычисленного моделирования. Таким образом, на Рисунках 2.30 и 2.31представлены окончательные варианты расчетных схем, которые имеютоптимальное количество элементов.97Рисунок 2.29.Расчетная сетка сопла Лаваля98Рисунок 2.30.Расчетная сетка суживающегося сопла99Рисунок 2.31.Расчетная сетка плоской изолированной сопловой решетки1002.2.3. Порядок проведения численного моделированияВ качестве граничных условий на входе помимо давления полноготорможения, температуры полного торможения и параметров турбулентностизадаются параметры жидкой фазы: влажность и десятичный логарифм отколичества капель в единице объема. На выходе задается величинастатического давления.Параметры турбулентности на входе включают в себя кинетическуюэнергию турбулентности k и рассеивание энергии турбулентности ε.

Внастоящей работе не производилось измерение турбулентных характеристикпотока перед исследуемым объектом. Поэтому, для оценки этих величиниспользовались выражения, рекомендованные в [91] и характерные длянебольших значений степени турбулентности (что отвечает состоянию потокаперед исследуемым объектом на данном стенде).