外界核心对喷管内水蒸气凝结流动的影响.pdfVIP

中国工程热物理学会 传热传质学 学术会议论文 编号：093027 *外界核心 对喷管内水蒸气凝结流动的影响 蒋文明，刘中良*，庞会中，鲍玲玲，孙俊芳，苗欣 (北京工业大学 环境与能源工程学院 教育部传热强化与过程节能重点实验室,北京 100124) (TelE-mail:liuzl@bjut.edu.cn) 摘要：建立了考虑摩擦阻力的一维水蒸气超音速流凝结数学模型，对喷管内含有不同初始浓度和半径 的外界核心的水蒸气超音速流凝结过程进行了数值计算。结果发现：当外界核心浓度在不同范围内时， 外界核心半径对凝结有不同的影响规律；当外界核心半径在不同范围内时，外界核心浓度对凝结也有 不同的影响规律；为了促进凝结的发生，要选择匹配的外界核心平均半径和浓度。选定喷管出口的液 相质量分数为标准，针对计算的几种情况得出：当rini=1.0×10-9m ，Nhet=1.0×1014/ kg 时，对应的喷管出 口处的液相质量分数最大。 关键词：外界核心；水蒸气；非均质凝结；喷管 0 前言 水蒸气超音速凝结流动现象在气轮机内部、高空飞行以及化工等领域广泛存在。尤 其在蒸汽透平中，水蒸汽超音速凝结流动产生的水滴不仅降低了其工作效率，造成很大 [1] 的经济损失，而且对叶片造成侵蚀导致叶片断裂，引发重大事故 。因此，对水蒸气超 音速凝结流动现象的研究有着极其重要的科学意义和应用背景。 水蒸气超音速凝结流动现象常见于水蒸气在Laval 喷管内的流动。在喷管水蒸气流 中存在着两种类型的凝结：均质凝结（自发凝结）和非均质凝结。过热水蒸气进入喷管 内膨胀进入亚稳态区域发生凝结，凝结核由蒸汽自发凝结产生，或者由外来核心提供。 纯净蒸汽中的自发凝结由于自由能障的原因，凝结发生在较高的过冷度下，并且由于自 发凝结的突然性，流场参数梯度分布十分陡峭，形成自发凝结冲波。当蒸汽中含有核心 [2] 时，凝结情况有显著不同，这种凝结称为非均质凝结 。从非均质凝结的角度来看，我 们可以把核心分成两类：第一类是不溶于水或水蒸气的固体颗粒；第二类是水或水蒸气 [3] 可溶的化学核心 。这些化学核心部分溶于过热蒸汽中，同时以分子团的形式存在。这 一类中存在着大量的无机和有机化学核心。它们是喷管或蒸汽透平中过热蒸汽的核心， 最常见的是NaCl。 国内外很多文献已经对第二类非均质凝结现象进行了系统的理论和实验研究，但对 [2-3] 于第一类非均质凝结却很少涉及 。为了了解外界核心对喷管内水蒸气超音速凝结流 动的影响规律，寻找促进喷管内可凝气体超音速凝结的方法，我们专门针对第一类非均 质凝结现象进行了数值研究。研究发现：当外界核心浓度在不同范围内时，外界核心半 径对凝结有不同的影响规律；当外界核心半径在不同范围内时，外界核心浓度对凝结有 不同的影响规律；为了促进凝结的发生，要选择匹配的外界核心平均半径和浓度。 1凝结流动控制方程 蒸汽中的外界核心在蒸汽凝结时充当凝结核心，促使凝结发生的自由能障降低，发 生凝结所需的过冷度降低，流动的热力学非平衡程度降低，非平衡损失随之减小。对于 第一类非均质凝结过程的蒸汽膨胀曲线见图 1。膨胀促使蒸汽首先达到蒸汽饱和线，随 后，达到一定过饱和度时部分蒸汽分子开始在外界核心上发生凝结，同时蒸汽继续膨胀 资助项目：国家自然科学基金项目（NO；教育部高等学校博士学科点专项科研基金项目 （NO.20040005008）；北京市拔尖创新人才选拔计划项目（2006）资助；北京工业大学第一届博士研究 生创新计划资助项目（bcx-2009-043） （对应过程1）；由于外界核心浓度不够大，不能通过蒸汽分子在外界核心上的直接凝结 实现热力学平衡，故当蒸汽达到一定过冷度时，或许会出现自发凝结（对应过程2 ）；自 发凝结发生后，蒸汽分子继续在外界核心凝结，同时大