单级跨音速轴流压气机两相流动数值模拟分析

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燃气轮机湿压缩技术通过合理的喷雾可以有效提高燃气轮机性能。压气机内冷却剂液滴与气流形成的气液两相流动是湿压缩的重要特征,并且不同的冷却剂会造成湿压缩效果的差异。所以本文利用数值模拟的方法对单级跨音速轴流压气机湿压缩过程中的气液两相流动进行了研究,分析了液滴的传热传质、运动破碎及撞击叶片作用,并对比了以液态乙醇为冷却剂的湿压缩特性和以液态水为冷却剂的湿压缩特性。  本文对湿压缩过程中气液两相流动进行了研究。结果表明:(1)当压气机内冷却剂液滴达到一定浓度时,喷雾量的增加不利于单个液滴与气流的蒸发换热,较大的滑移速度可以促进液滴的传热传质,而连续相气流的湍流脉动则会形成高频率速度滑移脉动,促进液滴与气流的质量传递与动量传递,形成湍流蒸发。液滴受气流拖曳运动时会对气流产生粘性阻力,喷雾颗粒越大所造成的损失越多,并且当液滴处于连续相湍流中时,湍流的频繁脉动会增加液滴与气流的动能损失,湿压缩技术需要综合考虑液态冷却剂的蒸发冷却效果是否可以抵消未蒸发冷却剂的阻力损失作用。(2)压气机内叶片的干扰增强了液滴的湍流波动程度,强化了气液两相之间的相互作用,并且转子会通过气流与液滴的拖曳及换热作用将输入功间接地传递给液滴。湿压缩过程中液滴的雷诺数与韦伯数整体较小,在绝大部分位置不会发生气动力破碎,而激波及撞壁作用会强化液滴的运动破碎,但只能使液滴破碎韦伯数达到袋状破碎范围。(3)液滴较小的流动角是造成液滴撞击叶片的关键因素,转子叶片的旋转冲击会提高撞击其表面液滴的流速,而撞击静子叶片表面的液滴出现动能损失,并且液滴撞击叶片后流速的变化程度表明液滴的撞击对转子叶片施加的反作用力较强,造成转子的附加轴向扭矩,湿压缩过程不能忽略冷却剂液滴对壁面的撞击作用。(4)乙醇液滴与气流间的传热传质能力强于水滴,破碎强度较高,而对气流造成的阻力作用以及叶片撞击强度较小。相同喷雾条件下,乙醇湿压缩对压气机进气流量、压比和效率的提升程度要大于液态水湿压缩,而在喷雾粒径达到5μm的较小情况时,液态水在气流的冷却效果以及比功的降低程度上会显现出优势。湿压缩可以根据不同冷却剂的湿压缩特点将几种不起反应的冷却剂混合喷入压气机,以寻求更好的湿压缩效果。
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