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蒸汽在汽轮机非定常流动数值模拟摘要：对于汽轮机的叶片尤其是一些偏转角比较大的叶栅，穿过流道的气流量可能非常大。为了判断这种自发的凝结对正常流线的影响，可以将守恒方程联立成一个二维的计算程序来判定。这个程序通过FORTRAN90来编写，其结果与压强和马赫数的分布有关，以及流场中流动的方向和流线，出口处液滴的分布。这个程序可以通过在弯曲强烈的区域边缘通过增加网格来提高计算精度。关键字：汽轮机；核电；两相流；腐蚀1介绍 有两种基本形式的流动，宏观连续机械理论和微观运动理论。现在模拟湿度和气相相互作用最精确和有效的模型是参考拉克朗日的模型，是通过适当的模拟相界面的原相的模型。当一个粒子由静止状态被射进一个流道时，跟踪这个粒子，直到达到一定的目的，如冲击壁面。图1中模拟的是粒子通过一定的边界区域然后离开流动区域到达交界面。以一定的速度和一定的边界厚度离开边界。分为远杨边界条件，周期性边界条件，稳定界面边界条件。对于涡轮机三维流场中影响两相流动因素是十分复杂的。同样对于二维流动的影响因素也是很多的。下边的理论主要关注的是二维流动。 的多为流动进行计算之前，建立一个守恒方程是十分重要的，气相的蒸汽并不是完全气态，再将理论和实验数据进行对比时应尽量减少误差。拉拉格朗日框架模型意味着用欧拉模型解决主要问题。对于解决蒸汽流动的问题是意味着要定义穿过页栅的流道意味着要定义随时间改变的湿度的变化。最终目标是建立一个计算汽轮机湿蒸汽的模型，促进评估各种损失，湿气损失的分布以及潜在的腐蚀和破坏。2.方法2.1.两相流液滴沉积和水的形成我们都知道在汽轮机中形成水会对汽轮机的效率造成影响，在汽轮机的叶片上形成水雾沉降有两种主要原因，惯性冲击和叶片表面的层流。使的蒸汽在流道中形成一个准确的流线。第二是湍流扩散的沉降，由于小液滴有穿过表面边界层的趋势沉降到固体表面的趋势。由于水雾的沉积而形成小水滴紧紧地贴在叶片的表面。而蒸汽继续膨胀到低压穿过流道，增加蒸汽的湿度导致更多的雾滴的形成和沉积。由于水滴的形成不仅对蒸汽的流动有影响而且对蒸汽的热力性能也有影响，是级的效率和整个循环效率降低。湿气损失使级效率和汽轮机效率降低，形成原因有过饱和和结核并由此产生液滴阻力。可分为由于液滴的阻力和水滴在粗糙表面的流动。这种小液滴的影响可以通过化学材料的捕捉来测量，对于超过十微米的水滴捕捉效率超过百分之九十。侵蚀在汽轮机低压级的区域主要原因是汽轮机湿蒸汽。当一些水雾沉积在固定和移动叶片表面。有进一步促进水的沉积的危险。水堆积在动叶片上或沉积在固定叶片上在其表面蒸汽的作用下。水最终离开固定叶片后缘形成水滴。一般情况下,熟悉的侵蚀主要在叶片的顶端。 细节上，在叶片表面上，在高速水滴的持续作用下， 导致叶片材料中晶体结构的开裂。当叶片表面出现粗糙区域时更容易发生腐蚀，最终,表面的侵蚀呈现一个熟悉的外观。改变叶片的结构和外形。 影响侵蚀的主要因素是单个粒子接触表面的速度(V)和角的()如图3所示。材料在持续时间上通过小规模变形、疲劳裂纹根据粒子的特性而腐蚀磨损表面。通过这些可能引起的重要的问题是腐蚀只是水蒸气中含水所引起的一系列问题之一。更重要的问题是由于违背热力平衡方程而引起的。由于潜热的释放和蒸汽体积的压缩而引起一系列空气动力学问题，杜塞汽轮机的流道以及动页。由于二维三维数学模型的发展，大量的改进已经被用到了两相流动。有冷凝的流动可以看做一种特殊的可压缩流动，由于相变而产生了一部分付加热。另外两相流中还包含流动体积的改变，拖拽以及液体的沉积，以及大量由于热的释放而决定的相变焓。2.2数学模型对于任何多维两相流动的计算，最重要的是建立一个适当的守恒方程。如果这个守恒方程只适合于气相区域，而液相方程适合于热量和体积。或者这个守恒方程适合于整个区域的混合，而液相方程必须适合于特定的量（如焓和密度）以及湿度。一般情况下，三个物理守恒方程，质量守恒，能量守恒，动量守恒，肯定适合于流动计算。根据流动的特征和性质，可加入其他守恒方程如粘性输运方程。2.3计算方法本文计算中求解非定常雷诺平均N-S方程。数值方法空间采用中心差分格式, 时间采用二阶迎风格式, 同时在非定常计算中采用了隐式双重时间步法以加速收敛。湍流模型采用S-A模型。2.4网格设置为保证网格质量, 计算模型采用H-O-H型网格。一个周期通道网格总数约1100000, 其中静叶进口段H型网格数253325, 环绕静叶叶片O型网格数2133141; 环绕动叶叶片O型网格数2133161, 动叶出口段H型网格数为253349。静叶的y约小于12, 动叶y约小于6非定常计算采用DomainScaling 方法, 它要求上下游叶片的计算域周向尺寸相等, 为此, 将静叶和动叶数简化为35, 同时为了保证叶片堵塞度一致, 对静子和转子叶片尺寸均按一定比例进行缩放。计算时一个周期内设定60个物理时间步。动静叶交界面处信息传递采用插值方法。在计算中考虑到实际流动的末级进口不是均匀流动, 来流状况与次末级的流动相关, 因此在进口边界条件的处理上计入了次末级流动对末级流动的影响。先进行次末级加末级两级定常计算, 将计算结果得到的次末级出口总温、总压和气流角周向平均值沿展向的分布, 作为非定常计算的进口边界条件。出口背压利用径向平衡原理给定叶中处静压值。3 结果及分析计算结果显示, 设计点的流动具有很强的非定常性, 下文将主要针对引起设计点非定常流动的因素进行分析。由于最终希望了解末级动叶受到的非定常力, 因此在流场计算结果中最关心的是末级动叶表面的压力分布情况。表面静压分布都有明显的变化, 特别是在叶片根部和中部的大部分区域静压的变化更为剧烈,表明在设计点末级动叶表面的非定常性较强。叶片表面静压分布的变化将直接影响叶片表面非定常力的分布, 包括非定常力的幅值及频率。图3给出了一个周期内动叶根、中、尖表面压力变化时空图。其中横轴T 表示静子通过的周期( 即相位变化) , 纵轴Z表示动叶的轴向弦长。从图中看出影响末级动叶表面非定常力的因素较多,比较突出的主要有上游静叶尾缘激波和位势场作用, 静子尾迹作用, 以及转子尾缘出口膨胀波作用等。3.1激波和位势场作用从图3可以看出, 静叶根、中部尾缘激波和位势场对动叶表面非定常压力脉动起着主导作用,其绝对幅值明显高于其他影响因素。随着静子和转子周向位置的不断变化, 转子叶片表面前缘受到上游静叶尾缘激波以及静叶位势场影响而产生大幅度的压力脉动。从图中观察到, 静叶尾缘出口激波的作用范围较小, 但是引起的压力脉动相对较大; 而静叶周围压力分布造成的位势场作用范围比出口激波的作用范围大, 它引起的压力脉动也较大。激波与位势作用存在相位差, 这与当地的叶片造型及流动组织有关。计算结果分析表明在本算例所给定条件下,静叶根、中部尾缘激波和位势场对末级动叶表面的压力脉动起主要作用。这意味着通过合理分布, 对流场进行良好的组织, 能够有响, 从而达到控制转子根、中部叶片表面非定常力的目的。3.2静子位势场作用除了静子尾缘激波对下游转子叶片表面产生的非定常气动力, 静叶尾缘位势场也会对下游动叶产生非定常气动力。如图3( a) , 图中变化趋势与静叶尾缘激波相同( 从左上角到右下角分布) , 而影响贯穿动叶00. 2倍弦长整个周向区域的压力变化就是静叶位势场引起的。位势场的影响范围较大, 从图3( a) , ( b) 和( e) 都可以观察到压力分布受位势场的影响。上游静叶的位势场影响之所以比较大, 可以从图5中静叶表面压力分布来解, 图中显示了静叶根、中、尖时间平均表面静压系数分布。从图中可以看出静叶的负荷形式为明147 第1期 綦蕾等: 汽轮机末级三维非定常流动数值模拟, 静叶后部载荷较大, 导致静叶出口压力沿周向的变化也较大, 且静叶出口汽流速度达到超音, 因此上游静叶位势场对下游动叶表面压力分布的影响较大。图5静叶表面时间平均静压系数分布。4结论( 1) 对某汽轮机末级三维非定常数值模拟结果的分析发现, 在设计工况下, 转/ 静子之间的非定常相互作用比较强烈, 此时非定常气动力对叶片所受动应力的影响不可忽视。( 2) 对本算例计算结果的分析发现, 在设计点的流动中, 对动叶表面非定常力影响最大的因素是静叶尾缘激波和静叶位势场的影响, 它们对下游转子叶片表面产生了强烈的压力脉动, 是产生动叶表面非定常力最主要的原因。( 3) 静叶出口尾迹作用主要造成动叶根部吸力面和压力面的压力脉动, 它也是本算例中影响动叶表面非定常力大小的主要因素之一, 相比较而言对非定常力的影响没有静叶尾缘激波和位势场的影响强烈。( 4) 在设计点, 由于汽流在通道中膨胀加速程度较大, 在动叶尾缘喉部产生了膨胀波, 膨胀波对