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(qiáng)化水蒸汽在低過飽和度下的傳質(zhì)效果，這一觀點(diǎn)最早在Wilson云霧室實(shí)驗(yàn)中得到證實(shí)。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(dāng)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(jìn)一步強(qiáng)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(jī)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(jìn)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(jī)理，對于降低汽輪機(jī)損失、提高效率具有較為重要的理論指導(dǎo)意義和實(shí)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(dú)討論了兩部分的計(jì)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(jì)算，從而給出微粒帶電時的成核自由能計(jì)算公式。針對帶電時的成核臨界半徑分析則表明，當(dāng)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(jì)算成核自由能。結(jié)合流動型云霧室已有實(shí)驗(yàn)結(jié)果，針對有、無電荷影響下的成核率公式進(jìn)行了驗(yàn)證，其計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，兩者之間存在誤差的主要原因?yàn)閷?shí)驗(yàn)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(jìn)行了詳細(xì)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(jì)算方法，并基于已有的實(shí)驗(yàn)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(jìn)行了驗(yàn)證。均質(zhì)凝結(jié)的流場計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)測量結(jié)果基本吻合，計(jì)算與實(shí)驗(yàn)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(rèn)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(shí)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(jìn)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(dá)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(jìn)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(jìn)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(jì)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(shí)汽輪機(jī)末級靜葉內(nèi)濕蒸汽兩相流動進(jìn)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(fù)荷整體向尾緣遷移，抑制了流道上端壁葉片吸力