Диссертация (1025751), страница 17
Текст из файла (страница 17)
Здесь и далееотносительная координата:= ,(3.22)где x – координата вдоль шага решетки, t – величина шага решетки. Температурапереохлаждения пара:Δ = − ,(3.23)124где – диаграммная температура насыщения, соответствующая статическомудавлению в рассматриваемой точке. Как видно из представленных Рисунков,помимо давления полного торможения, существенные изменения касаютсячисленногомоделированиятермодинамическихпараметров(влажностьитемпература переохлаждения). При этом, если сами значения этих параметров(кроме распределения p0) практически не отличаются друг от друга (хотя внекоторых точках вдоль оси разница составляет до 25% для температурыпереохлаждения и 12% для влажности), то характер распределений изменяетсясущественно.
Положение максимума влажности (см. Рисунок 3.11) и минимуматемпературыпереохлаждения(см.Рисунок3.12)припереходеотнемодифицированной модели к модифицированной смещается на 11% от шагарешетки. Поле скоростей паровой фазы, являющееся наиболее важным дляразрабатываемой методики, практически не изменяется (см. Рисунок 3.13).125Рисунок 3.9.Распределение давления полного торможения в изолированном межлопаточном канале сопловой решетки. а:используемые по умолчанию свойства воды и водяного пара; б: модифицированные свойства воды и водяного пара7000025p0, Па65000206000015ΔTs, K1055000Модифицированная модельМодифицированная модельНемодифицированная модель5000000,20,40,6x0,801xНемодифицированная модель50,20,40,60,8Рисунок 3.12. Распределение температурыторможения пара за решеткойпереохлаждения пара3900,04yc, м/с3800,038126Рисунок 3.10. Распределение давления полного13700,0363600,034350Модифицированная модельНемодифицированная модель0,032340330x0,0300,20,40,60,8Рисунок 3.11.
Распределение влажности пара зарешеткойМодифицированная модельНемодифицированная модель100,20,40,6x0,81Рисунок 3.13. Распределение скорости пара за решеткой127Таким образом, модифицированная модель описания свойств воды иводяного пара необходима в первую очередь для корректного сопоставлениярасчетныхиэкспериментальныхданных:заданиеграничныхусловий,определение интегральных термодинамических параметров и энергетическиххарактеристик потока.
При этом существенного перестроения скоростныххарактеристик паровой фазы не происходит.3.6. Верификация CFD кода Ansys FluentДля обоснованного применения CFD кода Ansys Fluent в разрабатываемойметодике определения размеров капель, необходима верификация результатовчисленного моделирования для подтверждения корректности получаемыхданных. Проведенные ранее работы по данной проблеме [93, 133] показалидостаточно хорошее совпадение экспериментальных и расчетных результатов.Однако не анализировалось влияние наличия крупной влаги на характеристикипотока. Кроме того, введенные в расчетные модели модификации требуютпроверки на свою корректность.Течение влажнопарового потока в межлопаточном канале сопровождаетсякомплексом сложных процессов.
При этом каждое из явлений в большей илименьшей степени влияет на характеристики паровой фазы. В данной работе авторвыделил 2 основных направления для верификации расчетного пакета:1.НеравновесноеНеобходимоубедиться,состояниечтосредыспредставленнаяпоследующейвыше(см.релаксацией.пункт3.5.1)модифицированная модель турбулентности позволяет рассчитывать течения соспонтанной конденсацией пара – скачками конденсации.2.Наличие крупной влаги в сопловой решетке может существенноизменять газодинамические характеристики потока. Это в первую очередьсвязано с формированием водяной пленки на поверхности лопатки.
Так как AnsysFluent с применяемыми настройками не может рассчитывать пленки на стенкахканала, важно экспериментально определить степень влияния этих процессов наэнергетические характеристики потока и сравнить их с расчетными данными.128Таким образом, важно определить границы применимости расчетной модели,реализованной в CFD коде Ansys Fluent, для расчета влажнопаровых потоков.3.6.1. Течение перегретого пара в сопле ЛаваляПри моделировании течения влажного пара необходимо добиться, чтобы врезультате расчета отслеживалось большинство процессов, связанных с наличиемжидкой фазы в потоке.
В частности, важно корректное определение зонспонтанной конденсации пара при сверхзвуковом течении. Для этих целей, какотмечалось выше, была модифицирована k-ε модель турбулентности.Для проверки достоверности получаемых в результате моделированияданных, было проведено исследование течения перегретого пара (температуракоторого выше температуры насыщения на входе в канал) в плоскомнесимметричном сопле Лаваля.
На Рисунке 2.18 представлена геометрия канала,а на Рисунке 2.19 – схема эксперимента. Для визуализации волновой структурыпарового потока используется автоколлимационный теневой прибор ИАБ-451.Также с помощью парокоммутатора определялось распределение статическогодавления на профилированной вставке сопла (см. Рисунок 2.19). При этомрассматривались как расчетные, так и нерасчетные (с присутствием в каналескачка уплотнения) режимы течения в сопле Лаваля.Верификация данных численного моделирования производилась на основесравнения рассчитанной структуры потока, с теневыми фотографиями течения,сделанными в оптическом поле ИАБ-451. Кроме того производится сравнениераспределений статического давления вдоль профилированной вставки канала.На Рисунке 3.14 представлены теневые фотографии волновой структурыпотока при различных режимах течения и соответствующие им расчетныеданные.
Представленные данные соответствуют начальному перегреву пара ΔT0 =5 К. Здесь и далее:ΔT0 = 0 − ,(3.24)где 0 – температура полного торможения пара перед исследуемым каналом; –температура насыщения при заданном давлении полного торможения перед129соплом. Однофазный паровой поток после пересечения минимального сечениясопла имеет сверхзвуковую скорость и продолжает ускоряться в расширяющейсячасти канала. Параметры пара переходят в зону метастабильного состоянияпереохлаждения [60] – температура потока оказывается ниже температурынасыщения при данном давлении.
При достижении температуры переохлаждениякритического значения (Δ ≈ 30 К) происходит релаксационный процесс (скачокконденсации) – переход от неравновесного состояния в равновесное. Данноеявление заключается в спонтанной конденсации пара, сопровождающейсявыделениемтеплоты,сверхзвуковогопотока,сверхзвуковым.Начтопритеневыхспособствуетэтомвскачкообразномуданномфотографияхслучаеотчетливоторможениютечениевидныкакостаетсяскачокконденсации вблизи минимального сечения сопла, так и волна сжатия, исходящаяот профилированной стенки в том месте, где к ней приближается скачокконденсации.
Наличие этой волны связано с перерасширением потока в канале, иее местоположение зависит в основном от параметров течения и геометрии канала[60]. В данном случае не реализовались режимы с мигрирующими скачкамиконденсации, что объясняется большой скоростью расширения потока всверхзвуковой части сопла. Помимо скачка конденсации, ниже по течениюприсутствует скачок уплотнения, который переводит поток в дозвуковоесостояние.Каквидноизпредставленныхданных,результатычисленногомоделированная довольно точно отображают наблюдаемую структуру потока.Необходимо отметить, что численное моделирование было проведено встационарной постановке.
Также проводился расчет с исходной стандартноймоделью турбулентности, в результате которого скачок конденсации выявлен небыл, а непосредственно сам расчет не сошелся.На Рисунке 3.15 представлено распределение относительного статическогодавления вдоль профилированной вставки канала. Здесь:= ,(3.25)130где x – координата вдоль сопла, исходящая из геометрического минимальногосечения; L – длина расширяющейся части канала.=0.(3.26)Рисунок 3.14.Теневые фотографии (слева) и соответствующие им расчетные картинытечения (справа) на различных режимах при начальном перегреве вышетемпературы насыщения ΔТ0 = 5К.
а: εа = 0,38; б: εа = 0,51; в: εа = 0,63; г: εа = 0,661311,0ε0,90,80,70,60,50,40,30,20,1εa = 0, 51 экспεa = 0,51 Fluentεa = 0, 63 экспεa = 0,63 Fluentεa = 0, 66 экспεa = 0,66 FluentL0,0-0,3-0,2-0,100,10,20,30,40,50,60,70,80,91Рисунок 3.15.Распределение статического давления вдоль профилированной стенки сопла приразличных режимах течения при начальном перегреве пара выше температурынасыщения ΔТ0 = 5 К.Наблюдается хорошее согласование в результатах численного расчета ипневмометрическихизмерений.Скачокконденсациинараспределенияхпроявляется довольно сглаженным (как и скачок уплотнения) из-за «размывания»параметров в дозвуковой области пограничного слоя.В качестве сравнения характера течения потока в сопле Лаваля со скачкомконденсации и без него, на Рисунке 3.16 представлено распределениестатического давления при высоком начальном перегреве пара ΔТ0 = 67 К, когдаспонтанная конденсация не наблюдается.1321ε0,90,80,7εa = 0, 525 экспεa= 0,525 Fluentεa = 0, 608 экспεa = 0,608 Fluentεa = 0, 645 экспεa = 0,66 Fluent0,60,50,40,30,20,1L0-0,3-0,2-0,10,00,10,20,30,40,50,60,70,80,91,0Рисунок 3.16.Распределение статического давления вдоль профилированной стенки сопла приразличных режимах течения при начальном перегреве пара выше температурынасыщения ΔТ0 = 67 К.3.6.2.
Течение влажно парового потока в изолированной сопловойрешеткеВлияниережимныхпараметров(начальнойвлажностипараитеоретического числа Маха за решеткой) на энергетические характеристикиизолированных сопловых решеток исследованы довольно подробно [34, 22, 21].Можно выделить основные источники роста степени диссипации энергии потока,связанные с наличием в потоке дискретной фазы [44]:Потери энергии на процессы конденсации (теплообмен при фазовомпереходе, неравновесное состояние системы).Образование водяных пленок на поверхностях лопаток, что приводитк изменению режима течения в пограничных слоях.133Механическое взаимодействие фаз, связанное с разгоном капельосновным потоком.Изменение геометрических характеристик профиля вблизи выходнойкромки, вследствие их утолщения из-за наличия водяной пленкиТаким образом, можно разделить процессы взаимодействия фаз на тригруппы: термодинамические, механические и газодинамические.
Имеющиеся наданный момент вычислительные способности не позволяют создать расчетнуюмодель, в полной мере описывающую все вышеперечисленные процессы. Какотмечалось в Главе 2, упрощения, примененные в CFD-коде Fluent, позволяют вполной мере анализировать только термодинамическое взаимодействие фаз иигнорируют механическое и газодинамическое. В работах, посвященныечисленному моделированию течения пара в последних ступенях паровых турбиннаблюдается[130],экспериментальныхпотока.достаточнозначенийОднаконужномелкодисперснойвлаги,хорошееинтегральныхиметьввиду,совпадениерасчетныхэнергетическихчтосформировавшейсяхарактеристикрассматриваетсявследствиеитечениеестественнойконденсации в проточной части турбины.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
