電荷作用對濕蒸汽流中非均質(zhì)凝結(jié)影響研究.pdf

1、電荷作用能夠強化水蒸汽在低過飽和度下的傳質(zhì)效果，這一觀點最早在Wilson云霧室實驗中得到證實。眾所周知，透平內(nèi)蒸汽流動中的相變傳質(zhì)主要以自發(fā)凝結(jié)（非平衡凝結(jié)）為主，由于成核發(fā)生時過飽和度較高，這一過程帶來較為顯著的熱力學(xué)損失及流動問題。當蒸汽中存在雜質(zhì)顆粒時，蒸汽分子將以顆粒為核心發(fā)生非均質(zhì)凝結(jié)，因而能夠降低成核所需的過飽和度，但這一作用也會隨著微粒尺寸減小而下降。將電荷與雜質(zhì)顆粒相結(jié)合，依靠電荷作用進一步強化非均質(zhì)凝結(jié)時的傳質(zhì)效果，

2、可能成為一種用于汽輪機中降低過飽和度、抑制自發(fā)凝結(jié)的新型途徑。目前，關(guān)于這一新型凝結(jié)控制手段的研究非常少，建立一種適用于微粒帶電時的非均質(zhì)凝結(jié)流動模型，進而討論電荷作用對均質(zhì)/非均質(zhì)凝結(jié)過程的具體影響機理，對于降低汽輪機損失、提高效率具有較為重要的理論指導(dǎo)意義和實際應(yīng)用價值。
　　首先，基于Fletcher的冠狀成核理論，將非均質(zhì)成核自由能分為狀態(tài)變化產(chǎn)生的自由能以及表面變化產(chǎn)生的自由能等兩部分，單獨討論了兩部分的計算方法。根據(jù)系

3、統(tǒng)廣義內(nèi)能定義，討論了氣、液系統(tǒng)在靜電場影響下不同范圍內(nèi)的電位移以及靜電能計算，從而給出微粒帶電時的成核自由能計算公式。針對帶電時的成核臨界半徑分析則表明，當微粒半徑較大或者帶電量較小時，可以用Kelvin半徑代替電荷作用下誘導(dǎo)成核臨界半徑來計算成核自由能。結(jié)合流動型云霧室已有實驗結(jié)果，針對有、無電荷影響下的成核率公式進行了驗證，其計算結(jié)果與實驗結(jié)果吻合較好，兩者之間存在誤差的主要原因為實驗中微粒尺寸及帶電量的不均勻性。
　　其次

4、，基于體積平均的概念，對均質(zhì)/非均質(zhì)凝結(jié)同時存在時的濕蒸汽流動雙流體模型進行了詳細推導(dǎo)，討論了適用于濕蒸汽流動的蒸汽熱力學(xué)參數(shù)計算方法，并基于已有的實驗結(jié)果，對此雙流體模型在均質(zhì)凝結(jié)流動以及非均質(zhì)凝結(jié)流動中的可靠性分別進行了驗證。均質(zhì)凝結(jié)的流場計算結(jié)果與實驗結(jié)果相比最大誤差不超過8％，非均質(zhì)凝結(jié)流場中壓力分布與實驗測量結(jié)果基本吻合，計算與實驗最大偏離出現(xiàn)在溫度（過冷度）分布上，相對誤差約為5.45%，可以認為本文的雙流體模型對于均質(zhì)凝結(jié)

5、流動以及非均質(zhì)凝結(jié)流動的模擬符合真實物理情況，數(shù)值模擬結(jié)果具有較高的可信度。
　　第三，針對均質(zhì)凝結(jié)、非均質(zhì)凝結(jié)以及電荷作用下誘導(dǎo)凝結(jié)等三種凝結(jié)模式下Moses噴管內(nèi)濕蒸汽流動進行了數(shù)值模擬。研究表明，微粒濃度對于非均質(zhì)凝結(jié)具有決定性影響，濃度增加將直接提高非均質(zhì)凝結(jié)過程傳質(zhì)總量，因而對隨后發(fā)生的均質(zhì)凝結(jié)抑制作用增加，甚至有可能完全抑制均質(zhì)凝結(jié)的發(fā)生。微粒尺寸對非均質(zhì)凝結(jié)的影響則分為兩方面。一方面，微粒尺寸越大非均質(zhì)成核率越高，相

6、應(yīng)地蒸汽中的非均質(zhì)成核液滴數(shù)能夠在較短時間內(nèi)達到更高量級。另一方面，微粒尺寸越小，包裹微粒的液滴生長速度將更快。微粒帶電后能夠進一步提高微粒表面的非均質(zhì)成核速率，但這一效果還將受到微粒尺寸的影響，具體表現(xiàn)為微粒尺寸越大，電荷作用越弱。
　　此外，依次對蒸汽透平動葉、靜葉以及透平級內(nèi)均質(zhì)凝結(jié)以及電荷作用下誘導(dǎo)凝結(jié)流場進行了對比分析。結(jié)果表明，盡管傳質(zhì)過程發(fā)生較均質(zhì)凝結(jié)過程更早，電荷作用下誘導(dǎo)凝結(jié)模式下流場出口濕度并未增加。Bakht

7、ar葉柵以及White葉柵出口濕度均明顯低于均質(zhì)凝結(jié)時的計算結(jié)果，VKI-1透平級出口處濕度在兩種凝結(jié)模式下雖比較接近，但均質(zhì)凝結(jié)模式下數(shù)值上仍更高。同時，兩種凝結(jié)模式下的流場過冷度存在顯著差別，電荷作用下誘導(dǎo)凝結(jié)中流場過冷度峰值更低，Bakhtar葉柵、White葉柵、VKI-1透平級在入口加入高濃度帶電微粒之后，過冷度峰值與均質(zhì)凝結(jié)相比改善程度均在20K以上，并且電荷作用下誘導(dǎo)凝結(jié)流場大部分區(qū)域過冷度均維持在10K以下，基本接近于平

8、衡狀態(tài)。熵分析結(jié)果表明，電荷作用下誘導(dǎo)凝結(jié)與均質(zhì)凝結(jié)相比流場最大熵增在Bakhtar葉柵、White葉柵以及VKI-1透平級中分別下降5%、22.68%、23.2%。另外，與均質(zhì)凝結(jié)時相比，電荷作用下誘導(dǎo)凝結(jié)流場中葉柵內(nèi)氣流偏轉(zhuǎn)能力有所提升。
　　最后，對某真實汽輪機末級靜葉內(nèi)濕蒸汽兩相流動進行了研究。分析了在入口加入電離子前后的兩相凝結(jié)流場變化。與均質(zhì)凝結(jié)時相比，離子誘導(dǎo)凝結(jié)模式下葉片負荷整體向尾緣遷移，抑制了流道上端壁葉片吸力