（化工过程机械专业论文）含湿气体在两相涡流管中自发冷凝与分离性能研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 超音速冷凝分离技术是一种新兴的混合气体分离技术，是超音速冷凝与离心分离技 术的有机结合。整个过程集制冷、冷凝和分离过程于一体，大大简化了分离系统，因此 该项技术在天然气净化脱水领域具有广阔的应用前景。目前的超音速冷凝分离技术在应 用中尚存在轴向速度过大，离心分离不充分的缺点。 气体流经涡流管喷嘴时高速膨胀，产生的低温效应可使气体中的重组分冷凝，且在 涡流管中流动的轴向速度远小于切向速度，因此可以在一定程度上克服现有超音速冷凝 分离技术的缺点。基于此本文提出了一种用于混合气体超音速冷凝分离的两相涡流管结 构，并进行了初步的数值模拟计算与实验研究分析。 首先，本文对实现混合气体降温冷凝的关键部件喷嘴进行了实验研究。分析了 不同流道，不同形状的渐缩喷嘴对涡流管能量分离的影响，得到了适合于两相涡流管的 喷嘴形式。 其次，建立了两相双组分超音速冷凝流动三维模型，对含湿气体在超音速冷凝流动 中的自发凝结过程进行预测。采用两相欧拉一欧拉控制方程组描述气液两相流动，引入 经典成核理论模拟水蒸汽的自发成核。模型计算结果与实验数据吻合较好。应用该模型 对含湿气体在涡流管内的自发凝结过程进行了模拟。通过分析凝结参数的变化，预测了 基本结构参数长径比、阻涡器与操作参数压比、冷流率对装置分离性能的影响。 最后，根据喷嘴形式的分析结果改进实验设备，设计两相涡流管实验流程并进行了 相关实验，得到了两相涡流管混合物分离的基本特性。分析了基本结构参数长径比、阻 涡器与操作参数压比、冷流率对分离性能的影响，实验数据与数值模拟分析结果吻合较 好，为两相涡流管的工业应用提供了理论与实验依据。 关键词：两相涡流管；能量分离；自发凝结；三维数值模拟 大连理工大学硕士学位论文 s t u d y o nt h es p o n t a n e o u sc o n d e n s a t i o na n ds e p e r a t i o np e r f o r m a n c e o fm o i s tg a si nt w o p h a s ev o r t e xt u b e a b s t r a c t t h es u p e r s o n i cc o n d e n s a t i o ns e p a r a t i n gt e c h n o l o g y ，an o v e lt e c h n o l o g yf o rm i x e dg a s s e p e r a t i o n ，i st h ec o m b i n a t i o no ft h es u p e r s o n i cc o n d e n s a t i o na n dc e n t r i f u g a ls e p a r a t i o n u s i n gt h i st e c h n o l o g y ，t h es e p a r a t i o ns y s t e mo f t h em i xg a sc a l lb er e m a r k a b l ys i m p l i f i e d ，s o i th a sg o o dp r o s p e c tt oa p p l yt h i st e c h n o l o g yi nt h ef i e l do fn a t u r a lg a sp u r i f i c a t i o na n d d e h y d r a t i o n h o w e v e r ，s of a rt h es e p a r a t i o np e r f o r m a n c eo ft h es u p e r s o n i cc o n d e n s i n g s e p a r a t o ri sl i m i t e dd u et ot h ee x c e s s i v e l yl a r g ea x i a lv e l o c i t y t h eh e a v yc o m p o n e n to ft h em i xg a sc o n d e n s e sw h i l et h em i xg a se x p e n dt h r o u g ht h e v o r t e xn o z z l ec a u s e db yt h el o wt e m p e r a t u r ee f f e c tg e n e r a t e di nt h i sp r o c e s s i na d d i t i o n ，t h e a x i a lv e l o c i t yi sm u c hs m a l l e rt h a nt h et a n g e n t i a lv e l o c i t y ，w h i c hi sag r e a ta d v a n t a g e c o m p a r i n gt o t h ee x i s t i n gs u p e r s o n i cc o n d e n s a t i o ns e p a r a t i n gt e c h n o l o g y o nt h eb a s i so f a b o v ea n a l y s i s ，an e wt w o p h a s ev o r t e xs e p a r a t i n gt e c h n o l o g yh a sb e e np r o p o s e da n ds o m e i m p o r t a n tn u m e r i c a la n de x p e r i m e n t a ls t u d yr e s u l t sw e r ep r e s e n t e d f i r s to fa l l ，d i f f e r e n tt y p e so fn o z z l e sh a v eb e e ns t u d i e dt of i n do u tt h ee f f e c to ft h e n o z z l es h a p ea n df l o wp a s s a g eo ne n e r g ys e p a r a t i o na n ds u i t a b l en o z z l et y p ef o rt w o - p h a s e v o r t e xt u b eh a sb e e no b t a i n e d s e c o n d l y ，at h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e lf o rt w o p h a s et w os p e c i e ss u p e r s o n i cc o n d e n s a t i o n f l o wh a sb e e ne s t a b l i s h e df o rt h ep r e d i c t i o no ft h ep r o c e s so fm o i s tg a sc o n d e n s a t i o ni nt h e s u p e r s o n i cf l o w e u l e r - e u l e rg o v e r n i n ge q u a t i o n sh a v eb e e ne m p l o y e df o r t h et w o p h a s ef l o w w i t ht h ec l a s s i c a ln u c l e a t i o nm o d e lc a l c u l a t i n gt h es p o n t a n e o u sc o n d e n s a t i o n t h es i m u l a t i o n t a l l i e sc l o s e l yw i t ht h ee x p e r i m e n t f u r t h e r m o r e ，t h em o d e lw a sa p p l i e dt ot h es i m u l a t i o no f t h es p o n t a n e o u sc o n d e n s a t i o ni nt w o p h a s ev o r t e xt u b e a n dt h ee f f e c to fs l e n d e r n e s sr a t i o ， d i f f u s e r , p r e s s u r er a t i oa n dc o l dm a s sf r a c t i o no ns e p a r a t i o np e r f o r m a n c eh a sb e e np r e d i c t e d f i n a l l y ，t h ee x p e r i m e n te q u i p m e n tw a si m p r o v e d a n ds e p a r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f t w o p h a s ev o r t e xt u b ew e r es t u d i e db yc o n d u c t e de x p e r i m e n t t h ee f f e c to fs l e n d e i t i e s sr a t i o ， d i f f u s e r ，p r e s s u r er a t i oa n dc o l dm a s sf r a c t i o no ns e p a r a t i o np e r f o r m a n c ew a sa n a l y z e da n d t h er e s u l tt a l l i e d 嘶t 1 1t h es i m u l a t i o n , w h i c hp r o v e dt h a tt h i sp a p e rc a np r o v i d et h e o r e t i c a la n d e x p e r i m e n t a lb a s i sf o ri n d u s t r y k e y w o r d s ：t w o p h a s ev o r t e xt u b e ；e n e r g ys e p e r a t i o n ；s p o n t a n e o u sc o n d e n s a t i o n ；3 一d n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 ， 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：日期： 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论 文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大 学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 丘尸中牮 导师签名：童因垒塑鱼 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1课题背景 气体高速膨胀中的自发凝结现象普遍存在于高空飞行、超音速风洞试验、汽轮机和 天然气透平等领域中。该现象对很多工业设备都有不利的影响，如降低湿蒸汽透平、气 波机等工业设备的效率，加速设备腐蚀等，但是也有其利用价值。超音速冷凝分离技术 正是利用其有利的面，将混合气体的白发凝结与分离技术结合起来，实现重组分的冷 凝和轻重组分的分离。目前的超音速冷凝技术采用超音速喷管中加入离心力的方法实现 冷凝分离，尚存在不少缺点。本文针对这些缺点，提出将超音速冷凝与涡流管的涡流效 应相结合的一种新型的混合气体除湿技术，两相涡流管分离技术，可以更好的实现 超音速冷凝分离。 1 2 气体自发凝结研究综述 气体在高速膨胀过程中的自发凝结现象广泛存在于自然界和工程领域，如高空飞 行、超音速风洞试验、汽轮机和天然气透平及化工过程等领域。 在电力和动力工程中，湿蒸汽两相流动自发凝结问题几乎伴随着冷凝式蒸汽透平同 时产生。湿蒸汽给蒸汽汽轮机主要带来两方面的问题：一是汽轮机中蒸汽凝结产生的水 分或湿蒸汽进入汽轮机带入的水分，会使机组效率降低；二是湿蒸汽中的水滴会导致汽 轮机低压级组动叶片的水蚀损坏。目前乃至今后相当长的一段时间内，汽轮机作为动力 及电力工业的关键动力装置，其重要地位难以动摇，火电厂大功率凝汽式汽轮机低压缸 和水冷堆核电汽轮机的全部级都在湿蒸汽区工作，由于级内出现湿蒸汽两相流动，在经 济性和可靠性方面带来的损失不可低估。凝结流动包含非常复杂的物理过程，凝结过程 的出现也可能对流动特性产生出乎预料的影响。对于湿蒸汽两相凝结流动研究，从机理 上弄清楚自发凝结现象的本质以及凝结流动与叶栅中各种复杂流动现象相互作用及其 对气动性能产生的影响，是解决问题的关键【1 1 。 为了减少气体自发凝结产生的上述不利影响，一个世纪以来，各国学者对湿蒸汽自 发凝结两相凝结流动的研究一直比较活跃。在工业界，湿蒸汽透平设计中遵循的 b a u m a n n 法则在1 9 1 0 年就己确定【2 j 。g y a r m a t h y 在2 0 世纪6 0 年代初将饱和蒸汽成核凝 结理论用于分析汽轮机内湿蒸汽流动特性，随后，很多学者对气体的自发凝结现象进行 了理论、实验和数值模拟研究。 含湿气体在两相涡流管中自发冷凝与分离性能研究 1 2 1 气体自发凝结流动理论研究进展 ( 1 ) 自发凝结成核率方程 均质非平衡态成核理论和水滴生长理论发展已超过百年。最早的相关理论是关于球 形液滴在蒸汽中的稳定性问题，k e l v i n ( 1 8 7 0 ) ，h e l m h o l t z ( 1 8 8 6 ) ，g i b b s ( 1 8 7 8 ) 分别独立 地采用不同的方法和途径研究了蒸汽中液滴的临界尺寸，并得到了一致的计算公式 k e l v i n h e l m h o t z 方程1 3 j ： 2 0 ， 名= p ( 1 1 ) t r t l n s i n s 订、， 由式( 1 1 ) 可以看到，过饱和度越大，液滴的临界尺寸越小。 1 9 2 7 年v o l m e r 和w e b e r ，f a r k a s 和s z i l a r d ，1 9 3 5 年b e c k e r 和d o r i n g 等人关于过 饱和蒸汽中水珠形成的机理研究，形成了现在的经典成核理论。 1 9 3 0 年以后，y e l l o t t 及其同事找出了过饱和的极限位置( 即“w i l s o n 线”) 。 1 9 3 0 年，1 9 3 5 年，1 9 4 2 年，p r a n d t l ，w i e s e l s e l s b e r g e r ，h e r m a n m 分别对风洞气流 中大气水分的凝结作了初步观察。1 9 4 2 年，o s w a t i t s c h 第一个将成核理论与气体动力学 方程相结合，提出了对凝结过程的完全理论分析，得出了逻辑上完整的凝结流理论。 2 0 世纪2 0 年代，v o l m e r ，w e b e r 等人采用热力统计规律( b o l t z m a n n 分布规律) 的方 法、熵及热力势的概念建立成核率公式并获得了成功，奠定了经典成核率公式的基础。 其后f a r k a s 、v o l m e r 、z e l d o v i c h 、f l o o d 及f r e n k e l 等人分别提出了成核率公式。这些公 式或者可变形为完全相同、或者是差别很小，其中应用较多的经典成核率公式为 v o l m e r - f r e n k d t 卅形式： 如= ( 射2 篮岛o x p 。( 一鲁 2 ， 经典成核率公式的指数型规律圆满地解释了自发成核突然出现的原因，而且通过适 当调整某些参数的数值( 如表面张力) ，此公式的计算结果与实验对比得到了较好的一致 性，因而得到了广泛的引用。但由于不满对不同条件下采用该公式出现的误差，甚至是 对其理论基础的怀疑，有多人对该公式做了大小不同的修正。 其中1 9 6 2 年l o t h e 和p o u n d 提出的一种引入汽化概念的成核理论，与经典成核理 论有很大的不同，计算得到的成核率比经典成核理论大1 01 7 倍【4 1 ，但其与水蒸汽的实验 不符。在水蒸汽的情况下，实验数据肯定地倾向于经典理论。 大连理工大学硕士学位论文 h i l l 的实验与理论工作也证明了对水来说，在不考虑汽化概念和水滴表面张力与半 径的关系时，实验数据与经典成核理论预测的结果相当一致。而如果考虑汽化概念，水 滴表面张力与半径的关系也必须引入，二者的效果才能互相抵消以使计算结果与实验数 据一致o _ 。 d e i c h 等人提出了一种非稳态成核模型，将成核率分为两部分之和。一部分是过饱 和度变化引起的，另一部分，是由于快速膨胀过程中过饱和度上升导致临界液滴尺寸降 低引起的。 该理论得到了m o o r e 工作的支持，考虑液滴与周围气体之间因不等熵产生的修正系 数，形式如：1 ( 1 + 矽) ，得到了非等温修正的经典成核率公式f 3 l ： 扣南房知【- 警) 3 ， 其中= 掣 惫j 2 r 和k a n t r o w i t z = 掣惫 惫爿誊似。 对于凝结系数吼研，根据r i g e r 的研究结果，认为g 。l 。 但是经典成核理论仍存在很多不足之处。成核率表达式中指数项为主导项，临界半 径与表面张力的二次方成正比，因此指数项中包含表面张力的三次方，故表面张力的取 值对成核率的计算影响很大。一般可以通过实验确定表面张力的大小，然而凝结过程发 生在微米量级，此量级时的表面张力与平面水的表面张力的关系不太清楚。目前对经典 成核率的适用性的争论相当多的是关于表面张力的，文献【l 】中常用的液滴表面张力系数 模型有如下三种： 1 ) 仃= 瞩，其中a 为常系数，为平面水表面张力。 2 ) t o l m a n 模型：盯= - 鼍，其中万为0 2 5 0 6 倍的液滴分子半径。 3 h = 吒( 一去j ，其中g2 鲁。 相关研究表吲1 1 ，对于等膨胀率的l a v a l 喷管，在使成核提前发生、压力突跃程度 增加、液滴半径减小和液滴数目增加方面，t o l m a n 模型比b s 模型的液滴曲率作用更 明显。当取口1 时，各项参数都向相反方向变化。 湿空气自发凝结相对于纯蒸汽自发凝结而言，多了不可凝载气。载气的存在，对成 核率及生长率有一定的影响。根据第一章的论述，本文对湿空气自发凝结计算，成核率 公式采用混合气体中单一组分成核公式： 含湿气体在两相涡流管中自发冷凝与分离性能研究 j = 譬厩e x p ( 等) m 4 ， ( 2 ) 自发凝结生长率方程 一旦临界尺寸的凝结核形成，就会有更多的蒸汽分子在这些液滴表面上加速凝结， 从而使液滴长大。蒸汽分子在液滴表面上凝结时必然要释放凝结潜热。如果凝结潜热不 能及时地由液滴传到周围气体中，液滴温度就会升高，进而达到一种热力学平衡状态： 气态分子凝结的同时会有同样数目的液滴分子蒸发，这样液滴生长过程就停止了。而实 际情况是液滴生长过程不会停止，所以可以推断，凝结潜热是可以不断地传递给周围气 体的。 凝结过程的传热必然伴随着传质。当一个蒸汽分子碰到一个液滴表面时，如果不是 反弹回去就是被液滴吸收，进而使液滴的质量有所增加，半径也相应增加。此即气相到 液相的相变过程。 液滴的生长不单单是蒸汽分子不断凝结到液滴表面上的结果，因为液滴之间也会相 互碰撞。液滴与液滴在蒸汽中相互碰撞、合并同样会造成液滴尺寸的增大。但是根据成 核过程模拟的基本假设，临界尺寸的凝结核形成之后，它们在蒸汽中以相同的速度运动， 彼此碰撞的可能性很小。对于临近的液滴，其成长率也接近相同，而且成核时间比较短， 液滴数相对于蒸汽分子数少得多，因此液滴相互碰撞及合并不是液滴增大的主要原因。 可以认为，在液滴生长阶段，液滴的数目保持不变，凝结量的增加仅仅表现为液滴半径 的增大。 按照气体动力学理论，蒸汽分子的运动是随机的。在蒸汽分子运动碰撞到液滴表面 的过程中，碰撞频率必然与蒸汽分子的平均自由程、液滴半径有关。一般用k n u d s e n 数 表示蒸汽分子碰撞到液滴的不同情况【3 】： k n = 万l ( 1 5 ) 2 厂 、。 其中 7：15,t,xrtgl( 1 6 ) = 一 1 u ， p 从上面可以看出，k n u d s e n 数越小，液滴直径相对于周围蒸汽分子的分布情况而言 就越大，传递过程以扩散为主；而k n u d s e n 数越大，则相反。实际上，这是两种不同的 蒸汽分子凝结模型，图1 1 是连续流模型，图1 2 是自由分子流模型，图中黑色圆表示 液滴。 大连理工大学硕士学位论文 图1 1k n 0 0 1 ( 连续流模型) f i g 1 1 c o n t i n u u mt r a n s f e rm o d e l 誉：妥 “- ：、： ， 、 。 、一二、j 、一。 。、 、“、 、-： ：、 ：囊、：! 、- ： 二 ： 、 ： 、 、 l 在连续流中，k n 4 5 时的情况则完全不同。在自由分子流中，由于液滴直径与分子的自由程相比 很小，蒸汽分子只能间或碰到液滴并释敢出汽化潜热而凝结为液滴的一部分。这时不管 是传热还是传质都不能看作连续过程。早在2 0 世纪初，h e r t z 、k n u d s e n 、o s w a t i t s e h 和 h i l l 等人就对这两种流动模型进行了系统研究和详细论述。 然后，当o 0 1 k n 4 5 时，即不是自由分子流，也不是连续流，而是两者之间的 过渡生长区。液滴从成核到完全长大的过程，也是k n u d s e n 数不断减小的过程。一个液 滴的成长一般都要经历这三个过程：自由分子流区、过渡生长区和连续流区。而对于过 渡生长区，目前还没有比较精确的数学模型。 o s w a t i t s c h ( 1 9 4 2 年) ，g y a r m a t h y ( 1 9 6 3 年) ，h i l l ( 1 9 6 5 年) ，k a n ( 1 9 6 7 年) 对水滴成长速率进行了研究。g y a r m a t h y 在s t o d o l a 、o s w a t i t s c h 等人工作的基础上，建 立了液滴传热系数关系式，并最终建立了适用于很大k n u d s e n 数范围的水滴生长率公式 【3 】即 d r 国 以( z 一引一| - - g c r ， 启 ，+ 1 5 9 l ( 1 7 ) y o u n g 等人在g y a r m a t h y 工作的基础上，对该公式进行了低压( p o 5 b a r ) 修正。 其目的是使水珠尺寸与实验值接近一致，主要有两种形式【5 】： 含湿气体在两相涡流管中自发冷凝与分离性能研究 尘d t = 去譬钲害( ，一等) ( ) 魄岛以 几3l ，- 7 d r 以( 乃- r , ) 一= = - - _ 一 d t 岛 、一r ，| r ( 1 8 ) ( 1 9 ) 式中 y ：盟l 口- o 5 一生纽( 型) 丝l ( 1 9 ) 【- 2 2 y 曩s j 式中口为液滴生长校正系数，一般取口= 9 ，为l a n g m u i r 模型中的自由碰撞区半 径与水滴半径之关系系数，一般取= 2 。 g y a r m a t h y 和y o u n g 的公式得到广泛应用，其后几乎所有的湿蒸汽数值计算均以其 为基础之一。 1 2 2 气体自发凝结流动实验研究进展 在1 9 世纪末著名的w i l s o n 云室实验就显示了水蒸汽与空气混合快速膨胀时的突然 凝结现象。s t o d o l a 在2 0 世纪3 0 年代以前在湿蒸汽测量方面做了很多开创性的工作。 他在喷管中进行了蒸汽凝结实验，用测量管壁静压的办法确定静压分布对干蒸汽膨胀曲 线的偏离。并且创造了一种能检测凝结发生的光散射实验技术。在这两方面，以后许多 人继续做了深入的工作，并取得了大量的实验结果。s t o d o l a 也是认识到过饱和状态的 第一人【6 】。使用拉伐尔喷管进行湿蒸汽流动研究有很多方便之处：便于在空间顺序内表 现凝结现象在时间顺序上的发生及发展；几何结构简单，便于实现；便于观察和测量。 基于此，初期很多学者选用拉伐尔喷管通过实验研究湿蒸汽凝结流动。 1 9 6 4 年，g y a r m a t h y 和m e y e r 利用喷管实验研究了膨胀率的大小对凝结雾的发生的 影响。将膨胀率从其它参数中分离出来作为湿蒸汽流动的特征参数是g y a r m a t h y 等人的 重要贡献，对以后的湿蒸汽流理论的发展起到了很大的作用。1 9 6 9 年，b a r s c h d o r f f , p e t e r 也利用喷管实验研究了w i l s o n 点位置与水滴尺寸。 我国开展超音速两相凝结流动的研究的历史非常短，1 9 6 5 - 1 9 6 6 年，上海汽轮机锅 炉研究所曾建立过专门从事透平末级湿蒸汽流研究的大型试验台。在西安交通大学涡轮 实验室也首先建立了研究湿度测试手段用的实验台。1 9 7 9 年，西安交通大学开始建立我 国第一台低压拉伐尔喷管实验台，并进行了膨胀率、流动损失等因素对凝结过程的影响 大连理工大学硕士学位论文 研究，利用光散射法水蒸汽测量仪测量了水滴直径与湿度，并发展了利用激波管和激光 散射法研究水蒸汽凝结的方法，为开展超音速两相凝结流动的研究创造了必要条件。 1 9 8 4 年，徐廷相和黄跃介绍了我国第一台拉伐尔喷管试验装置，阐述了它的设计思想、 主要特性以及取得试验数据的基本方法。在试验基础上定量地提出了考虑喷管内的流动 损失时w i l s o n 点位置的确定方法【。我国建立的第二个湿蒸汽两相流实验台是研究余热 透平汽水分离器的分离过程的。该实验台为青岛汽轮机厂提供了一些汽水分离器设计所 需的试验数据，并在汽水分离器试验方面的水珠测量，数据采集，处理和分析的研究上 取得了一些成果。 对汽轮机内湿蒸汽的测量较多的是对湿度的测量。1 9 1 0 年b a u m a n n 就定性提出： 蒸汽出现每增加l 的湿度，就会使汽轮机效率降低大约l 。因为在湿蒸汽区，湿度是 确定焓和热效率的必须参数。另外，清楚湿度的分布对叶片设计和去湿装置的设计是有 较大作用的。国内，徐廷相、李炎锋等人提出新型加热法测量湿蒸汽湿度的方法是在 m o o r e 等人研究的加热法基础上对加热段部分作了较大的改善【8 】。 近年应用最多的是利用光散射原理测量水滴直径的光学方法。光学法是随着激光技 术的发展而完善起来的测量方法，这种测量方法克服了热力学法需要等动力抽汽取样和 结构复杂等缺点。同时，光学法不但可以测量出蒸汽湿度，而且还能够测量水滴直径及 其分布情况【9 j 。在国内，上海理工大学( 原上海机械学院) 在这方面作了比较系统的研 究，发展了测量一次和二次水滴的光学方法。 1 2 3 气体自发凝结流动数值计算研究进展 在湿蒸汽两相非平衡凝结流动计算中，汽、液两相间的耦合方式及解法是一个重要 问题。存在两类耦合方法。第一类方法是将汽相与液相组成的湿蒸汽作为一个整体来考 虑，把原来汽相控制方程组中的密度和焓替换为湿蒸汽的密度和焓，则汽相的流动控制 方程也适用于湿蒸汽计算。另一种方法是将汽相与液相各自作为相对独立的开口系，依 靠在控制方程中添加考虑两相间相互作用的源项实现耦合。相对于前一种方法，后一种 方法可以清晰地给出两相间的质量、动量、能量交换，并且在这个方法的框架下，计算 程序也容易推广到两相间有滑移的一般情形。 另外，求解两相凝结流动必须选择合适的数值方法。首先，在湿蒸汽两相凝结流动 中，成核和液滴生长对温度、压力很敏感，这就要求所采用的数值方法具有较高的精度。 其次，由于液相成核的突然性，导致流场中出现很陡峭的参数分布，这就要求数值方法 能很好地捕捉这些参数变化。随着计算机技术的发展，先后出现了湿蒸汽自发凝结过程 的一维、二维和三维模拟。 ( 1 ) 一维流动计算 含湿气体在两相涡流管中自发冷凝与分离性能研究 1 9 4 2 年o s w a t i s c h 将凝结理论与数值计算结合起来进行了一维凝结流的数值模拟， 从此到1 9 7 0 年代中期，是一元流计算时期。这段时期大量的喷管流实验多与凝结理论 的验证有关。有很多研究者发表的文献中兼有实验部分和数值计算部分，以做比较和分 析。通过大量的喷管流工作之后，在8 0 年代已普遍承认。经典成核理论与g y a r m a t h y 的水珠生长理论令人满意地描述了真实过程。 在国内，1 9 8 1 年西安交通大学的俞茂铮教授等进行了沿流向推进求解常微分方程的 方法模拟拉伐尔喷管凝结流的计算，在我国首次提出了计算自发凝结湿蒸汽流的计算程 序【4 j 。之后，此项工作的基础上，黄跃和蔡颐年通过进一步研究，得出了考虑汽流与喷 管壁面之间的摩擦作用并对状态方程进行v i f i a l 修正的湿蒸汽流动计算程序1 1 0 1 。 2 0 0 1 年，李亮、丰镇平等结合液滴成核、生长理论及e u l e r 方程组，在无滑移假设 下，导出了描述存在自发凝结的湿蒸汽两相流动控制方程组。对汽液两相流动控制方程 组采用t v d 格式离散、时间推进法求解【1 1 1 。对准一维喷管中的湿蒸汽两相流动进行了 数值模拟。 2 0 0 2 年，李亮、丰镇平等采用时间推进方法，对喷管中超临界加热引起的非定常凝 结流动现象进行了一维数值分析，并对计算的凝结流动波动周期和压力振幅与实验值作 了比较。研究发现进口过冷度对非定常凝结流动特性有主要影响，而且在一定进口过冷 度下，不稳定凝结流动的频率和压力振幅都存在极值；同时进口压力对不稳定凝结流动 特性也有一定影响【l 2 1 。 2 0 0 3 年，陈红梅、李亮和丰镇平等研究了湿蒸汽流中的非均质凝结流动现象，建立 了自发凝结流动和非均质凝结流动统一的数值模型，并对一维喷管中的非均质凝结流动 进行了数值分析【1 3 1 。结果表明，蒸汽中杂质微粒浓度是影响非均质凝结流动的主要因素。 此外，微粒半径等因素对非均质凝结流动也有影响。 ( 2 ) 二维流动计算 从1 9 7 0 年代中期到1 9 9 0 年代，是二维和准三维叶栅凝结流计算大量进行的时期。 国内的这方面工作己处于当时国际相关领域的前沿。 清华大学马泽山在国内首先发展了二维的考虑相间质量、动量和能量传递的双流体 模型湿蒸汽研究方法，推导了相关方程，采用d e m o n 的对置差分时间推进方法求解汽 轮机二维叶栅凝结与湿蒸汽流动，分析了大水滴的滑移与损失问题【】4 1 。 区国惟采用混合流方法( 针对汽液两相的混合物建立方程，忽略相间滑移) ，也采 用d e m o n 的对置差分时间推进方法求解了二维叶栅凝结与湿蒸汽流动l l 卯。 在通流计算方面，y e o h 和y o u n g 等人以d e m o n 的单相气体流线曲率法为基础，发 展了非平衡态的通流计算方法【1 6 】【1 7 1 ，进行了一3 2 0 m w 汽轮机低压缸6 级的通流计算。 大连理工大学硕士学位论文 在二维叶栅凝结流计算方面，b a k h t a r 等人首先采用汽液混合模型及时间推进有限 体积法求解了跨音二维叶栅的凝结流动。 w h i t e 和y o u n g 发展了二维非定常时间推进方法，可以计算定常和非定常凝结流， 并对喷管内的流动进行了验算p 引。 s i n g h 等人通过将弥散分布的液相视为连续介质，引入水滴数量密度的概念，采用 m a r t i n 的方法，将成核和水滴生长方程转化为e u l e r 坐标系的形式，并可与汽相的质量、 动量和能量守恒方程联立求解。在数值方法上，采用了时间推进有限体积法及迎风显式 二阶t v d 格式。考虑到成核率的急剧变化性，成核率方程的时间步比其它方程的时间 步要小一个数量级，并且认为也许采用自适应网格可以进一步改进计算。 s e n o o 等人也将成核和水滴生长方程转化为e u l e r 坐标系中的形式。不同的是，他 将成核和水滴生长方程与汽水混合物的质量、动量和能量守恒方程联立求解。 ( 3 ) 三维流动计算 在三维凝结流计算方面，清华大学金建华在文酬1 4 j 的基础上发展了求解叶栅凝结流 的无粘三维时间推进法，并计算了一个直叶片内的凝结流场。 2 0 0 2 年，张冬阳等以解析化w i l s o n 点参数和相对饱和湿度算法为基础，发展了三 维粘性非平衡态湿蒸汽流动的快速准确数值模拟方法，模拟了一实际运行机组低压缸初 始凝结级内的流动，分析了与非平衡态凝结相关的流动现象i l 引。 2 0 0 4 年，清华大学林智荣和袁新对存在自发凝结的湿蒸汽两相流动建立了完全欧拉 坐标系统下的数理模型。采用考虑了真实流体性质的l u s g s g e 隐式时间推进算法和 改良型高精度、高分辨率m u s c lt v d 差分格式求解存在自发凝结的汽液两相流动控制 方程组【2 们。该方程是在三维空间下建立的，因而可以很方便的应用于三维透平叶栅的计 算。 西安交通大学徐海东发展了湿蒸汽的无粘三维时间推进法，计算了进口有湿度的一 个直叶片内的湿蒸汽流动【2 1 1 。 s i n g h 发展了三维半粘性e u l e r 求解方法，其粘性效应用基于简单混合长模型的体积 力表示。这样处理大大节省了计算时间，使程序鲁棒和可靠，并能捕捉到透平流动的主 要特征。b o h n 等人发展了三维凝结流算法，也采用e u l e r l a g r a n g e 坐标系统，计算了一 透平静叶栅内的凝结流动。g e r b e r 等人发展了求解n s 方程的三维凝结流计算方法。 总体来说，三维的凝结流计算正处在发展期。其基本特点仍是采用时间推进有限体 积法，对汽相采用e u l e r 坐标系，而对水滴采用l a g r a n g e 坐标系以沿流线追踪水滴的增 长，而且数值模拟大部分是针对湿蒸汽的，尤其是三维模拟都是针对是湿蒸汽的，对含 湿气体的三维模拟鲜有报道。 含湿气体在两相涡流管中自发冷凝与分离性能研究 1 3 涡流管研究综述 1 9 3 1 年，r a n q u e 发表了涡流管总温分离效应的首篇论文，并在法国成功注册了涡 流管的第一个专利。1 9 3 2 年，他又在美国申请了专利并于1 9 3 4 年得到批准1 2 2 1 。1 9 4 5 年， 一队美国科学家到德国e d a n g e n 大学访问，又一次发现了涡流管。该大学的物理学家 h i l s c h 进行了大量的工作和系统的研究，于1 9 4 7 年发表了一篇开创涡流管研究新局面 的文章【2 3 】。在他的论文中，运用大量详尽资料证实了涡流管总温分离现象的存在，并就 涡流管性能参数定义、装置设计、应用等问题提出一系列研究成果及建设性建议。 涡流管工作时，从切向喷嘴喷出的高速气流在涡流腔内形成强旋流，经涡流变换后 形成温度不等的两股气流，即实现能量分离。涡流管具有许多优点，如性能安全可靠； 安装、拆卸、维护方便；结构紧凑，质量轻，价格便宜；无转动部件，可连续长时间等。 涡流管作为制冷器时，主要缺点有两个：流量小，制冷效率低下。然而，近年来某些学 者发现涡流管在天然气和石油气处理及工业和运输业输气管路压力降的利用中具有重 要的经济效果1 2 4 】。 1 3 1 涡流管理论研究综述 在r a n q u e 的专利中f 2 5 1 ，展示了两种涡流管结构一顺流型与逆流型，其示意图分 别见图1 3 与图1 4 。此两种结构的区别之处在于冷气流的出口位置，逆流型的冷气流出 口与热气流出口分别布置在喷嘴的两侧，而顺流型则布置在喷嘴同侧。大量的实验证明， 顺流型涡流管的效率很少超过逆流型的一半，因此，实际的科学研究和工业应用都以逆 流型涡流管为主。本文中所提到的涡流管如无特殊说明则指逆流型涡流管。一般的说， 涡流管由喷嘴、涡流室、冷孔板、冷端管、热端管及热端阀等组成。对逆流型涡流管而 言，如图1 3 ，入口高压气流在喷嘴中膨胀，以很高的速度沿切线方向进入涡流室。由 于冷孔板的阻挡，流体高速旋转着流向热端管出口，在此过程中分离成总温不等的两部 分气流，中心部分气流总温低，而外层部分气流总温高，同时中心低温气流产生回流， 从冷端管出口排出，外层高温气流从热端管出口排出。通过调节热端阀的开度，可控制 冷热流比率，从而得到最优的涡流管性能。 丈连理工大学硕士学位论文 +_ 图1 3 逆流型涡流管 作原理图 f i gi3 f u n c t i o n a ld i a g r a mo f c o u n t e r i ：o wv o r t e x t u b e 圉14 顺流型涡流管t 作原理图 f i g l4f u n c t i o n a l d i a g r a m o f p a r a l l e lf l o w v o r t e x m 涡流管具有许多优点明，如性能安全可靠；安装、拆卸、维护方便：结构紧凑，质 量轻，价格便宜：无转动部件，可连续长时间运行；工作工质为空气，经济实用；可制 成坚固的不锈馏结构，防撞击，寿命长等。如此众多的优点吸引了英国，法国，德国， 美国，加拿大，俄罗斯，日本等国的众多学者对其进行研究和探讨，很多大公司如壳 牌右油开采公司、富尔顿低温工程公司、本迪客航空公司、汉埃斯航空公司及菲利普石 油公司等在涡流管理论、实验和应用等方面均获得过专利，同时还出现了一批专门从事 涡流管生产的厂家，如美国的v o r t e x 公司、e x x a i r 公司和t r a n s o n i c 公司等。目前涡流 管广泛地应用在以下几个领域 2 8 j ： ( 1 ) 机械工业方面：轴承冷却，切削加工冷却，固化热融物，小型空调，涡流管式 换热器等口9 1 ； ( 2 ) 科研方面：热电偶的冷结点恒温，涡旋恒温嚣，温度标定，材料测试，热膨胀 测试等： ( 3 ) 生物医学方面：生物冷冻，内外科手术等； 含湿气体在两相涡流管中自发冷凝与分离性能研究 ( 4 ) 航空技术方面：宇宙飞船的涡旋调节装置，电子设备的冷却，除冰等【3 1 】； 9 0 以后，制热温度效应下降。在相同的出口压力下，随着入口压力 的增加，单位制冷量与制冷效应均增加，但压比超过一定值后反而下降。 由于调节和保持入口温度比较复杂，实验可行性不强，故此类研究比较少。综合这 些研究【5 3 】，可以认为：入口温度对涡流管的性能影响很小：随着入口温度的增加，涡流 管制冷、制热效应均略有增加。 冷流率既是表征涡流管冷流流量的性能参数，又是影响涡流管性能的操作参数。 早在h i l s c h 的文献中，就对冷流率的最佳取用范围作过介绍。大量研究【5 2 】【5 4 】表明：冷 流率过小时，容易因涡流腔内静压很低而发生冷端倒吸气的现象； 0 8 时，热端比较长时容易发生滞止现象。一般认为，冷 流率在0 3 加5 之间能获得最大的制冷温度效应，在o 6 o 8 之间能获得最大的单位制冷 量和制冷效率。 ( 2 ) 结构参数对涡流管性能的影响 喷嘴是涡流管的重要部件之一。在总结了大量文献后，本人认为可以从下面几个方 面对喷嘴结构形式进行归类【5 5 】【5 6 】【5 7 】： a 喷嘴进气方式：喷嘴进气方式有螺旋进气式，切向进气式和切向槽形进气式三 种。t a k a h a m a 和p a r u l e k a r 等人均认为切向进气式优于其他进气方式。 b 喷嘴形式：喷嘴形式指的是在涡流室截面上观察到的喷嘴截面变化趋势，常见 的喷嘴形式有：直型喷嘴，渐缩形喷嘴。实验发现：喷嘴形式为渐缩形的涡流管性能好 于其他喷嘴形式的涡流管。 c 喷嘴设计线形：常见的喷嘴设计线形有：直线，圆弧线，阿基米德螺线。其中 以采用阿基米德螺线的效果最好。 d 喷嘴截面形式：喷嘴截面形式指的是平行于涡流管轴向的喷嘴截面的形状，有 下面几种形式：矩形截面，圆形截面。其中，以矩形截面( 长宽比为2 ：1 ) 的效果最好。 e 喷嘴数, ：喷嘴个数对涡流管性能影响较大，常见的喷嘴个数为：1 ，2 ，3 ，4 ， 5 ，6 ，8 。其中，喷嘴数为4 和6 的涡流管被认为性能较好。 热端管长度及形式对涡流管内流场也有极大的影响，一般可以从以下几个方面进行 讨论： a 热端管形式：热端管的形式主要有两种：圆管式和锥管式【5 8 】【5 9 1 。同等长度的锥 管式涡流管性能远好于圆管式涡流管，因而采用锥管式可大大缩减涡流管的长度。锥管 式涡流管热端管锥角一般为2 0 4 0 。 b 热端管直径：热端管直径的变化与相对面积的变化息息相关。相对面积以定义 为喷嘴喉部面积与热端管面积之比。涡流管入口流量一定，且喷嘴数不变时，相对面积 大连理工大学硕士学位论文 越大，涡流管热端管直径越小。在经验值范围内，有人认为涡流管性能随相对面积4 膨 增大而增大，即热端管直径大的涡流管性能高【6 0 】，有人认为在一定冷流率范围内，热端 管直径小的涡流管性能高 6 1 j ，超过这一冷流率，则正好相反。根据经验：压比为1 5 时， n ， 以= 0