基于CFD的跨声速两相流汽轮机叶片形状优化外文翻译资料

英语原文共 15 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

基于CFD的跨声速两相流汽轮机叶片形状优化

S.M.A. Noori Rahim Abadi a , A. Ahmadpour b , S.M.N.R. Abadi b , J.P. Meyer a

a比勒陀利亚大学机械和航空工程系，南非比勒陀利亚

b伊朗伊朗德黑兰阿米尔卡比尔理工大学机械工程系

强调

1. 执行关于成核蒸汽流的喷嘴和涡轮叶片的基于CFD的形状优化。
2. 成核速率和液滴半径是最佳适合的目标函数的优化过程。
3. 报道了涡轮级联的熵产生率的最大减少34％。
4. 对于涡轮级联，实现鲍曼因子的最大10％的减小和效率的最大2.1％的增加。

关键词：

双流体模型、湿蒸汽、非平衡冷凝、汽轮机、形状优化

摘要

在本研究中，在所考虑的流动通道内存在非平衡冷凝的情况下进行基于CFD的3D喷嘴和2D涡轮叶片级联的形状优化。双流体配方用于模拟不稳定，湍流，超声波和可压缩的湿蒸汽流，从而解释成核液滴和连续气相之间的相关相互作用。开发了一个内部CFD代码来解决两相流的控制方程，并根据可用的实验数据进行验证。 关于各种目标函数进行优化。它显示成核速率和最大液滴半径是用于减少由自发成核引起的热力学和空气动力损失的最合适的目标函数。通过形状优化过程实现涡轮叶片效率的最大增加2.1％。

1介绍

在火电厂和核电站中，工业汽轮机的使用有几个阶段是普遍存在的。当高压蒸汽流经汽轮机的连续级时，其压力和温度急剧下降。最终，汽轮机的最后阶段内，蒸气变成过饱和（局部压力水平高于相应混合物温度下的蒸汽压），而非平衡冷凝源自均质（或在外来杂质异质的情况下）成核。由于高速的体积流动，叶片级联中的蒸汽和液滴将不能达到热力学平衡，并且在这两个相之间沿着速度滑移观察到不可忽略的温度差。气流（湿蒸汽）中水滴的存在产生三个主要损失：

1. 热力损失（由于液相和气相之间的热传递及其相关的熵产生）
2. 空气动力学损失（由于在涡轮叶片顶部形成液体层和在叶片后缘处形成大液滴，以及它们与主体流动以及可能的通过阻力的冲击波的相互作用）
3. 侵蚀损失（由于高速水滴撞击涡轮叶片的表面）

这三种损失统称为湿度或水分损失，与干燥工作条件相比，降低了蒸汽涡轮机的整体性能（根据经验法则，每1％湿度部分的效率损失为1％）。根据white et al.进行的实验测量。 在蒸汽涡轮机的最后阶段中的湿度损失与粘性损失的量级相当。因此，通过蒸汽涡轮机的最后阶段的跨音速两相流（湿蒸汽流）的研究已经成为至少40年的主动研究领域。这些研究试图探索这种复杂的流动现象的物理学，以设计用于减少湿度损失或等效地增加涡轮机效率的新技术。

对于两相跨音速流的研究，已经建立了计算流体动力学（CFD）作为可靠的预测工具。用于开发用于具有非平衡冷凝的湿蒸汽流的强大数值方法的必要基础由用于喷嘴和涡轮级联中的成核流的实验数据提供。在解决二维跨音速湿蒸汽流问题的第一个成功尝试之一，可以提到Gerber和Kermani 的工作，他们已经开发了基于欧拉 - 欧拉对两个高速流的均匀成核的模型 相流和经典成核理论。

Dykas et al强调了在跨音速湿蒸汽流模拟中使用真实气体模型的重要性，以获得热力学损失的合理估计。更全面的结果nikkhahi等人提出的。描述了欧拉-欧拉描述的气相和液滴的能力准确预测的压力分布在2D涡轮机的转子尖。Wroblewski et al提出并验证了当不可溶杂质如NaCl存在于蒸汽流中时，用于2D和3D涡轮机几何形状的大功率涡轮机的低压部分中湿蒸汽的异质冷凝的新理论处理。Yousif等人通过数值和实验研究了背压对通过涡轮级联的非平衡冷凝的影响。据报道，低背压在宽范围的入口条件下导致高水平的液体质量分数。 此外，在数值解和实验测量之间有利的协议也被报道。Dykas和Wroblewski提出了用于均匀冷凝流的双流体配方，考虑了气流湍流和压缩性以及忽略水相粘度的气/液界面处的滑移速度。他们成功地将他们的配方实现为内部CFD代码，用于通过2D叶片级联模拟跨音速两相流。

在涡轮叶片的后缘周围报告显着的速度滑移，并且滑流速度的符号在流动通道的不同区域中由于局部特性可压缩两相流。在参考文献中研究了通过具有长跨度叶片的核蒸汽涡轮机的整个最后级的冷凝流，其中三个液相被认为是在级的入口处的水滴，转子中的成核液滴和定子中的成核液滴。提出了跨越叶片跨度的湿度分数和焓降的变化。

Yuet等人进行了通过蒸汽涡轮机的静止和移动叶片的湿蒸汽流的3D数字模拟。研究背后的主要动机是检查液滴沉积（涡轮叶片上）对涡轮性能的不利影响。Dykas等人进行了穿过两种不同几何形状的跨音速湿蒸汽流的详细实验，拉瓦尔喷嘴和固定线性叶栅。作为主要发现，在喷嘴的出口附近和叶片的后缘处发现由冲击波促进的粗水滴的形成。将实验结果与由基于不稳定RANS公式以及SST k-x湍流模型的内部代码进行的一系列数值模拟进行比较。忽略了液相和气相之间的蒸气体积，液滴相互作用和速度滑移，以获得基于连续液滴生长模型的单流体制剂。在两种几何形状的计算静态压力和测量静态压力之间检测到良好的一致性。然而，由于所开发的代码不能捕获在实心叶片侧流动的薄水膜，在数字模拟中冲击波在叶栅中的位置略微向下移动。上面引用的数值模拟的综述揭示了用于非平衡冷凝的跨音速湿蒸汽流的数值方法已经变得足够成熟以用于其中发生自发冷凝的流动通道的形状优化（旨在获得最小湿度损失）。使用适当的数字两相流解算器，对于1D喷嘴几何形状成功地进行形状优化。据我们所知，没有报道在存在非平衡冷凝的情况下优化涡轮叶片级联的轮廓的尝试。因此，在这项工作中，我们旨在利用内部数值两相流解算器（其合适的性能已经被证明）以优化2D涡轮叶栅和3D喷嘴的轮廓，从而考虑气流中水滴的均匀成核以及气相和液相之间的速度滑移。将针对各种相关目标函数执行优化，并且将基于适当的参数来评估每个优化尝试的性能，所述参数可以测量在存在冷凝的情况下的湿度损失。此外，将详细研究形状优化的效果，通过喷嘴和固定叶栅的湿蒸汽流的主要特征。为了实现我们的目标，考虑到蒸汽和液滴混合物偏离热力学平衡双流体配方与经典的成核和生长模型一起使用。遗传算法（GA）用作具有各种目标函数的全局优化器，以修改涡轮叶片的形状，以便最终实现整个叶片级联和涡轮的更好的性能。此外，在本研究中，非平衡冷凝现象的特征参数被认为是GA方法中第一次优化蒸汽叶片轮廓的目标函数。手稿组织如下：第二部分和第三部分介绍了具有冷凝的湿蒸汽跨音速流的控制方程。在本工作中使用的数值方法的细节在第4节中给出，随后是3D喷嘴和2D涡轮级联的数值结果。最后，通过突出其主要发现来完成工作。

2. 控制方程

在本研究中，采用双流体模型，其中连续性，动量和能量守恒方程分别解决每个阶段。气相的控制方程由下式给出：

a i和b i（i = 0,1,2）的温度相关常数在方程从参考文献中可获得的数据获得。液体水热力学性质（粘度，密度，焓和声速）也通过IAPWS-IF97制剂测定。

3.非平衡冷凝模型

非平衡凝聚的建模通常从Deich等人提出的经典成核理论开始。根据真实的状态方程，为了从过饱和蒸汽形成稳定核而必须达到的临界液滴的半径（r /）定义为:

其中U 1是由于成核过程产生的临界液滴的质量源，U 2是每单位体积的两相混合物的所有液滴的质量冷凝速率。这些质量源将被直接提供给方程，并给出我们的一组控制方程的闭合。

4. 数值方法

4.1 问题描述

以其最一般形式的喷嘴/叶片级联的形状优化可以被认为是具有以下数学公式的最小化问题，

注意：

1. f是目标函数，应该从相关的两相流属性仔细选择。
2. x是参数化喷嘴/涡轮级联的轮廓的几何实体的矢量。
3. u(x)是包括压力和速度场的流动参数的矢量。
4. g(x)lt;0是一个不等式约束，应该通过优化过程不断地维护。

对于每个目标函数评估，喷嘴/叶片轮廓必须基于几何参数（x）构造并且需要生成相应的数值网格. 在这个数值网格上，解决方程的控制方程，以获得10个主要未知流量参数(U)，包括速度矢量，压力场，湍流耗散率，动能和体积分数。 当获得流量参数时，从其数学定义计算目标函数。为了参数化喷嘴和涡轮叶片轮廓，N个离散控制点包含在固体表面上选择这些控制点相对于特定参考系的坐标，并且这些轮廓由这些控制点的连续对之间的一组三次样条曲线近似。通过改变每个控制点的坐标可以容易地获得新的轮廓。基于这种方法，在优化问题中存在2 N个未知几何变量，它们在问题的最优解上的值应该使用适当的优化算法来计算。

• 1. 优化算法

第4.1节中介绍的优化问题使用着名的遗传算法（GA）作为可靠的全局优化器来解决。GA是无梯度优化器，其受益于用于特定优化问题的最优解的多个解候选（其统称为生成）内的搜索的概率性转变。在本研究中，非主导排序GA（NSGA II）[31]被用于优化，因为其适合的形状优化性能已被许多研究者批准。优化算法可以概括为：

1 构建真实形状优化问题的替代模型：为了克服在形状优化问题中GA的函数评价的过高的计算成本，建议从实验设计（DOE）方法开发替代函数。在这种方法中，对于均匀分布在设计空间中的相对高但相当有限数目的设计候选，产生数值网格，并且从控制方程的数值解中评估二相目标函数的值。从这组数据中，构建了近似代理模型，其给出目标函数的值，并且随后将其用于GA中的函数评估。

2第一代候选人的创建：在这项研究中，第一人口是在设计空间内随机创建的。 每一代的人口固定在60。

3对于每一代，算法使用替代模型来评估所有候选。

4在评估过程之后，每一代的最佳候选者被选择为父母以产生潜在地更好。在评估过程之后，每个世代的最佳候选者被选择为父母以使用轮盘搜索模型产生潜在的更好的解决方案，其基于每个个体的适合度值。生产新个体（后代）由线性交叉算子进行，10％的脱落弹簧被突变以产生更好的解决方案候选。精英主义还被用来保持每一代的最佳拟合个体（2和4个个体）被GA运营商降级。

5现在创建新一代并且重复执行循环，直到完成最大代数。

6对于多目标优化的情况，适应Paretoranking能够识别满足目标的解决方案在可接受的水平，而不被任何其他解决方案支配。Pareto排名的详细信息可以在前面找到每一对目标。

• 1. 流动求解器

为了数值求解（1） - （21）的控制方程，基于有限体积方法开发了一种内部CFD码。耦合，隐式和二阶离散方案来提高解决方案的精度。对于所获得的解的收敛设置10^-5的标准。如前所述，对于数值模拟考虑以下假设：

1两个相具有相同的平均压力，并且单个压力场用于液相和气相。

2流场被假定为不稳定和湍流。

3基于IAPWS-IF97制剂计算性质蒸气和液相。

4采用基于经典成核和生长理论的非平衡冷凝模型。

作为入口边界条件，为喷嘴和涡轮级联设定总压力。此外，在喷嘴的壁和涡轮叶片的表面上考虑了防滑条件。流场被认为是静止的，并且计算域在每个模拟开始时仅由蒸汽填充（初始条件）。

1. 结果和讨论

在下面的部分中，在验证我们的数字代码之后，呈现关于在存在非平衡冷凝的情况下的3D喷嘴和2D涡轮叶片级联的形状优化的数值结果。形状优化程序旨在减少由于非平衡冷凝的发生引起的热力学和空气动力损失（其统称为湿度损失）。这些损失通常与熵的产生相关，并且它们的范围可以通过计算通过流动通道的总熵产生速率来评估。为了实现降低润湿损失的目的，需要修改3D喷嘴或2D涡轮叶片的形状以抑制流域内的相变现象。 人们能够通过减少以下量来削弱非平衡冷凝，

1液体质量分数（x 1）

2成核速率（J）

3液滴半径（r）

前述属性中的每一个或它们的组合（作为多目标优值函数）可以被视为形状优化过程的目标函数。然而，应该进一步检查这些目标函数关于减少湿度损失（或总熵产生速率）的功效，以便描述手中的问题的最适合的目标函数。相应的任务也在进行中的子节中进行，在本工作中考虑的目标函数总结在表1中。

5.1 代码验证和基本配置文件

为了验证我们的数字代码在解决具有自发成核的两相流的突出特性中的能力，这里考虑两种测试情况。在图片4从数值模拟获得的静压力和平均液滴半径与[34]中提供的实验数据进行比较。沿喷嘴中心线计算的静压力分布与其对应的实验测量值的比较表明，我们的CFD码能很好地捕获非平衡冷凝的位置和强度，并产生可靠的结果。可以看出，当非平衡冷凝发生时，静压力沿着喷嘴减小并经历突然增加，称为“冷凝冲击”的现象，并且它主要归因于在冷凝期间释放显着的潜热，这提高了蒸汽温度和随后的静态压力。另外，沿着喷嘴的预测液滴半径分布与实验数据合理地一致。作为验证我们的CFD代码的第二种情况，考虑了Dykas等人的蒸汽涡轮叶栅。级联设计成在其流入口处在P 0 = 89kPa和T 0 = 373.15K的条件下操作。图5描述了为数值模拟生成的计算域和多块数值网格。数值网格由43,480个四边形计算单元组成，其大小通过详细的网格大小研究来选择。图6示出了涡轮叶片的压力侧和吸力侧处的静压力的分布。可以看出，我们的数值结果与实验数据一致，这进一步证实了我们的数值方法的准确性和可

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[139430]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word