Влияние концентрации гетерогенных зародышей на конденсационную нестационарность в районе горла расширяющегося сопла при неравновесном течении влажного пара

Приведены результаты расчетов для исследования влияния концентрации гетерогенных зародышей на конденсационную нестационарность в районе горла расширяющегося сопла при неравновесном течении влажного пара. Показано, что увеличение концентрации гетерогенных центров конденсации оказывает стабилизирующе...

Full description

Saved in:
Bibliographic Details
Published in:Проблемы машиностроения
Date:2013
Main Author: Ковалев, А.С.
Format: Article
Language:Russian
Published: Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України 2013
Subjects:
Online Access:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99127
Tags: Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:Влияние концентрации гетерогенных зародышей на конденсационную нестационарность в районе горла расширяющегося сопла при неравновесном течении влажного пара / А.С. Ковалев // Проблемы машиностроения. — 2013. — Т. 16, № 3. — С. 3-7. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-99127
record_format dspace
spelling Ковалев, А.С.
2016-04-23T10:40:28Z
2016-04-23T10:40:28Z
2013
Влияние концентрации гетерогенных зародышей на конденсационную нестационарность в районе горла расширяющегося сопла при неравновесном течении влажного пара / А.С. Ковалев // Проблемы машиностроения. — 2013. — Т. 16, № 3. — С. 3-7. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.
0131-2928
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99127
621.165:51.380
Приведены результаты расчетов для исследования влияния концентрации гетерогенных зародышей на конденсационную нестационарность в районе горла расширяющегося сопла при неравновесном течении влажного пара. Показано, что увеличение концентрации гетерогенных центров конденсации оказывает стабилизирующее влияние на течение пара и приводит к переходу течения пара в режим со стационарным скачком конденсации.
Наведені результати розрахунків для дослідження впливу концентрації гетерогенних зародків на конденсаційну нестаціонарність в районі горла сопла, що розширюється при нерівноважній течії вологої пари. Показано, що збільшення концентрації гетерогенних центрів конденсації чинить стабілізуючий вплив на течію пари та призводить до переходу течії пари в режим зі стаціонарним стрибком конденсації.
Calculation results for heterogeneous nucleus influence on condensation instability near the expanding nozzle throat for no equilibrium wet steam flow are presented.Stabilizing influence of growing heterogeneous nucleus concentration on the flow, which caused the change of regime into the stable flow with the rise of pressure, is shown.
ru
Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України
Проблемы машиностроения
Аэро- и гидромеханика в энергетических машинах
Влияние концентрации гетерогенных зародышей на конденсационную нестационарность в районе горла расширяющегося сопла при неравновесном течении влажного пара
Heterogeneous nucleus influence on condensation instability near the expanding nozzle throat for no equilibrium wet steam flow
Article
published earlier
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
title Влияние концентрации гетерогенных зародышей на конденсационную нестационарность в районе горла расширяющегося сопла при неравновесном течении влажного пара
spellingShingle Влияние концентрации гетерогенных зародышей на конденсационную нестационарность в районе горла расширяющегося сопла при неравновесном течении влажного пара
Ковалев, А.С.
Аэро- и гидромеханика в энергетических машинах
title_short Влияние концентрации гетерогенных зародышей на конденсационную нестационарность в районе горла расширяющегося сопла при неравновесном течении влажного пара
title_full Влияние концентрации гетерогенных зародышей на конденсационную нестационарность в районе горла расширяющегося сопла при неравновесном течении влажного пара
title_fullStr Влияние концентрации гетерогенных зародышей на конденсационную нестационарность в районе горла расширяющегося сопла при неравновесном течении влажного пара
title_full_unstemmed Влияние концентрации гетерогенных зародышей на конденсационную нестационарность в районе горла расширяющегося сопла при неравновесном течении влажного пара
title_sort влияние концентрации гетерогенных зародышей на конденсационную нестационарность в районе горла расширяющегося сопла при неравновесном течении влажного пара
author Ковалев, А.С.
author_facet Ковалев, А.С.
topic Аэро- и гидромеханика в энергетических машинах
topic_facet Аэро- и гидромеханика в энергетических машинах
publishDate 2013
language Russian
container_title Проблемы машиностроения
publisher Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України
format Article
title_alt Heterogeneous nucleus influence on condensation instability near the expanding nozzle throat for no equilibrium wet steam flow
description Приведены результаты расчетов для исследования влияния концентрации гетерогенных зародышей на конденсационную нестационарность в районе горла расширяющегося сопла при неравновесном течении влажного пара. Показано, что увеличение концентрации гетерогенных центров конденсации оказывает стабилизирующее влияние на течение пара и приводит к переходу течения пара в режим со стационарным скачком конденсации. Наведені результати розрахунків для дослідження впливу концентрації гетерогенних зародків на конденсаційну нестаціонарність в районі горла сопла, що розширюється при нерівноважній течії вологої пари. Показано, що збільшення концентрації гетерогенних центрів конденсації чинить стабілізуючий вплив на течію пари та призводить до переходу течії пари в режим зі стаціонарним стрибком конденсації. Calculation results for heterogeneous nucleus influence on condensation instability near the expanding nozzle throat for no equilibrium wet steam flow are presented.Stabilizing influence of growing heterogeneous nucleus concentration on the flow, which caused the change of regime into the stable flow with the rise of pressure, is shown.
issn 0131-2928
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99127
citation_txt Влияние концентрации гетерогенных зародышей на конденсационную нестационарность в районе горла расширяющегося сопла при неравновесном течении влажного пара / А.С. Ковалев // Проблемы машиностроения. — 2013. — Т. 16, № 3. — С. 3-7. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.
work_keys_str_mv AT kovalevas vliâniekoncentraciigeterogennyhzarodyšeinakondensacionnuûnestacionarnostʹvraionegorlarasširâûŝegosâsoplaprineravnovesnomtečeniivlažnogopara
AT kovalevas heterogeneousnucleusinfluenceoncondensationinstabilityneartheexpandingnozzlethroatfornoequilibriumwetsteamflow
first_indexed 2025-11-25T18:07:50Z
last_indexed 2025-11-25T18:07:50Z
_version_ 1850519272130871296
fulltext АЭРО- И ГИДРОМЕХАНИКА В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ МАШИНАХ ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2013, Т. 16, № 3 3 УДК 621.165:51.380 А. С. Ковалев, канд. техн. наук Институт проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Украины (г. Харьков, e-mail: tarelin@ipmach.kharkov.ua) ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ГЕТЕРОГЕННЫХ ЗАРОДЫШЕЙ НА КОНДЕНСАЦИОННУЮ НЕСТАЦИОНАРНОСТЬ В РАЙОНЕ ГОРЛА РАСШИРЯЮЩЕГОСЯ СОПЛА ПРИ НЕРАВНОВЕСНОМ ТЕЧЕНИИ ВЛАЖНОГО ПАРА Приведены результаты расчетов для исследования влияния концентрации гетерогенных зародышей на конденсационную нестационарность в районе горла расширяющегося со- пла при неравновесном течении влажного пара. Показано, что увеличение концентра- ции гетерогенных центров конденсации оказывает стабилизирующее влияние на тече- ние пара и приводит к переходу течения пара в режим со стационарным скачком кон- денсации. Наведені результати розрахунків для дослідження впливу концентрації гетерогенних зародків на конденсаційну нестаціонарність в районі горла сопла, що розширюється при нерівноважній течії вологої пари. Показано, що збільшення концентрації гетерогенних центрів конденсації чинить стабілізуючий вплив на течію пари та призводить до пере- ходу течії пари в режим зі стаціонарним стрибком конденсації. Введение Процесс расширения пара в последних ступенях современных мощных паровых тур- бин проходит ниже линии насыщения. Метастабильное состояние пара, возникающее в ре- зультате неравновесного расширения, может приводить к скачкам конденсации и конденса- ционной нестационарности [1–3]. Существенное влияние на процесс неравновесного расши- рения пара оказывает наличие в нем гетерогенных центров конденсации (различных приме- сей, электрически заряженных частиц). Сдерживающим фактором развития исследований в области влажного пара до последнего времени являлось отсутствие реальных методов управления процессом объемной конденсации. Предпринимавшиеся попытки управлять процессом конденсации пара в зоне фазового перехода [4, 5] до настоящего времени не на- шли промышленного применения. В работах [6–7] показано, что в паровых турбинах возникает сильная электризация влажного пара. Плотность зарядов во влажном паровом потоке может на два порядка пре- вышать плотность зарядов в грозовых облаках и существенно влиять на процессы конденса- ции. Наличие в паровом потоке заряженных капель стимулирует объемную конденсацию в проточной части и влияет на влажность и другие параметры потока. Поэтому весьма важно знать, насколько существенным есть влияние гетерогенных зародышей конденсации на га- зодинамические параметры процесса. В данной статье приведены результаты расчетов неравновесного расширения пара в расширяющемся сопле. Показано, что наличие гетерогенных центров конденсации оказыва- ет стабилизирующее влияние на конденсационную нестационарность потока и при доста- точной их концентрации приводит к режиму течения со стационарным скачком конденса- ции. Математическая модель Полную систему дифференциальных уравнений расчета течения влажного пара с учетом неравновесной спонтанной конденсации и конденсации на посторонних центрах в дивергентной форме можно записать следующим образом [8]: АЭРО- И ГИДРОМЕХАНИКА В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ МАШИНАХ ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2013, Т. 16, № 3 4 yyx FFFf = ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ yxt где f, Fx, Fy, Fr – вектор-столбцы                                         ρϖ ωρ ωρ ωρ ρϖ ωρ ωρ ωρ =                                           ρ Ωρ Ωρ Ωρ ρ Ωρ Ωρ Ωρ + ρ ρ+ ρ =                                         ρ Ωρ Ωρ Ωρ ρ Ωρ Ωρ Ωρ + ρ ρ+ ρ =                                         ρ Ωρ Ωρ Ωρ ρ Ωρ Ωρ Ωρ ρ ρ ρ = q q q q s s s s yq yq yq yq ys ys ys ys y yx y y xq xq xq xq xs xs xs xs x yx x x q q q q s s s s y x uh u u u uh u u u uEP uu uP u uh u u u uh u u u uEP uu uP u h h E u u 2 1 0 2 1 0 2 1 0 2 1 0 2 2 1 0 2 1 0 2 2 1 0 2 1 0 )( )( )( )( )( )( 0 0 0 0 , )( )( )( )( )( )( )( , )( )( )( )( )( )( )( , )( )( )( )( )( )( ryx FFFf . Здесь E = ρ(e + ux 2 /2 + uy 2 /2 ); t – время; x, y – координаты; ρ – плотность пароводяной смеси; P – давление пароводяной смеси; P2 – давление паровой фазы; P2 – давление жидкой фазы; e – удельная внутренняя энергия пароводяной смеси; ux, uy – компоненты скорости вдоль осей x, y; β1 – объемная концентрация паровой фазы; β2– объемная концентрация жидкой фазы; γ = 1 – hs – hq – массовая концентрация пара; hs – массовая концентрация влаги, вызванная спонтанной конденсацией; hq – массовая концентрация влаги, сконденсированной на гете- рогенных центрах конденсации. Первые четыре уравнения – это уравнения газодинамики, имеющие тот же вид, что и для однофазной среды. При этом, однако, следует помнить, что плотность ρ и энергия e оп- ределяются для среды в целом на основании соотношений аддитивности (8). Процесс кине- тики гомогенной (спонтанной) конденсации описывается уравнениями 5–8, а кинетики кон- денсации на гетерогенных центрах конденсации – уравнениями 8–12. При создании математической модели были сделаны следующие предположения: 1) какие бы кинетические процессы ни происходили (конденсация, испарение), скольжение фаз относительно друг друга отсутствует (односкоростная модель); 2) исследуются процессы в области относительно небольших влажностей (h < 0,3), когда объемом, занимаемым каплями, по сравнению с объемом пара можно пренебречь; 3) капли могут конденсироваться на посторонних частицах, которые содержатся в паре. Это могут быть пылевые частицы или электрически заряженные ионы, которые служат гете- рогенными центрами конденсации; 4) любая капля может нести в себе один элементарный электрический заряд; 5) может происходить как гомогенная (спонтанная) конденсация, так и конденсация на ге- терогенных центрах конденсации; 6) гетерогенные центры конденсации в процессе расширения пара не возникают, т. е. их концентрация остается постоянной. Система дифференциальных уравнений интегрируется с помощью явной монотон- ной схемы Годунова первого порядка точности. Разностные уравнения для интегрирования по схеме Годунова системы газодинамических уравнений имеют тот же вид, что и для од- нофазной среды. АЭРО- И ГИДРОМЕХАНИКА В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ МАШИНАХ ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2013, Т. 16, № 3 5 Программный комплекс, созданный на основании данной математической модели, позволяет производить расчеты течения неравновесно конденсирующегося пара в каналах заданной конфигурации, при этом учитывается как спонтанная конденсация, так и конден- сация на посторонних центрах конденсации. Результаты расчетов Для численных исследований выбрано осесимметричное расширяющееся сопло со следующими геометрическими характеристиками: профиль дозвуковой части представляет собой сопряжение окружностей двух радиусов – R1 = 3,3⋅10 –2 м и R1 = 1,2⋅10 –2 м; диаметр входного сечения этого участка d0 = 6,6⋅10 –2 , диаметр горла сопла dкр = 0,81⋅10 –2 м; сверхзвуковая часть сопла выполнена конической с углом полураствора δ = 3° и длиной lcb = 2,68⋅10 –2 м. Число Маха на выходе из сопла, рассчитанное для показате- ля изоэнтропы κ = 1,3, равно Mp = 2 [4]. Начальное давление торможения в расчетах было задано P0 = 1,1⋅10 5 Па, а температура торможения T0 = 373,15 К. Цель исследования – определение влияния концентрации гетерогенных зародышей конденсации на процесс неравновесного расширения пара. В качестве гетерогенных заро- дышей могут быть посторонние примеси, всегда присутствующие в реальном паре, электри- чески заряженные ионы, которые сами по себе являются центрами конденсации. Концентра- ция ионов непосредственно зависит от показателя кислотности рН. Кроме того, можно ис- кусственно вводить электрические заряды, применяя электрический разряд в определенной области течения пара. Пренебрежение фактом конденсации на гетерогенных зародышах мо- жет при расчетах существенно исказить картину течения пара и привести к неверным выво- дам. Система дифференциальных уравнений расчета течения влажного пара интегрирова- лась по времени с шагом интегрирования ∼1,7404⋅10 –8 с. Фиксация промежуточных резуль- татов производилась каждые 1000 временных шагов. Распределение давлений пара вдоль сопла для спонтанной конденсации без гетеро- генных зародышей приведено на рис. 1. Наблюдается типичное явление конденсационной нестационарности вблизи горла сопла. Фронт скачка давления перемещается вдоль сопла, меняя при этом свою амплитуду в довольно широких пределах. Период нестационарных ко- 0.014 0.016 0.018 0.020 0.022 l, м 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 P /P o 1 32 4 Рис. 1. Распределение давлений пара вдоль сопла для различных значений времени при неравновесном расширении в расширяющемся сопле: концентрация гетерогенных зародышей конденсации Iq = 0 1/кг 1 – t = 5,2212⋅10 –4 с; 2 – t = 5,7433⋅10 –4 с; 3 – t = 6,2654⋅10 –4 с; 4 – t = 6,7876⋅10 –4 с 0.014 0.016 0.018 0.020 0.022 l, м 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 P /P o 1 2 3 4 Рис. 2. Распределение давлений пара вдоль сопла для различных значений времени при неравновесном расширении в расширяющемся сопле: концентрация гетерогенных зародышей конденсации Iq = 1,0⋅10 13 1/кг 1 – t = 5,2212⋅10 –4 с; 2 – t = 5,7433⋅10 –4 с; 3 – t = 6,2654⋅10 –4 с; 4 – t = 6,7876⋅10 –4 с АЭРО- И ГИДРОМЕХАНИКА В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ МАШИНАХ ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2013, Т. 16, № 3 6 лебаний составляет T ≈ 2,09⋅10 –4 ± 1,0⋅10 –5 с. Концентрация гетерогенных зародышей Iq = 1,0⋅10 13 1/кг слабо повлияла на режим течения пара (рис. 2). Следует, однако, заметить, что период нестационарных колебаний не- сколько возрос и стал равным T ≈ 2,26⋅10 –4 ± 1,0⋅10 –5 с. Концентрация гетерогенных зародышей Iq = 5,0⋅10 13 1/кг уже более заметно повлияла на режим течения пара (рис. 3). Период нестационарных колебаний еще больше увеличился и составил T ≈ 2,78⋅10 –4 ± 1,0⋅10 –5 с. При этом область нестационарных явлений несколько сузилась по длине сопла. При концентрации гетерогенных зародышей Iq = 9,0⋅10 13 1/кг (рис. 4) область не- стационарных явлений уменьшилась еще больше, а период колебаний увеличился до T ≈ 2,96⋅10 –4 ± 1,0⋅10 –5 с. Фронт давления в скачке почти не перемещается по длине сопла. Амплитуда давления в скачке тоже мало изменяется. Если концентрация гетерогенных зародышей увеличивается до Iq = 1,0⋅10 14 1/кг не- стационарность на графике давлений уже довольно сложно зафиксировать. Амплитуда не- стационарных колебаний становится минимальной. При увеличении концентрации гетерогенных зародышей до Iq = 2,0⋅10 14 1/кг, расши- рение пара в сопле переходит в стационарный режим с ярко выраженным увеличением дав- ления на скачке конденсации. Место скачка конденсации при этом сместилось вниз по пото- ку. Это можно объяснить тем, что в стационарном скачке конденсации достигается стабиль- но максимальное переохлаждение, что и сдвигает скачок вниз по потоку. Выводы Изменение концентрации гетерогенных центров конденсации Iq может оказать за- метное влияние на режим течения неравновесно конденсирующегося пара. Увеличение концентрации гетерогенных зародышей снижает частоту нестационар- ных процессов и уменьшает их амплитуду, а также сужает область нестационарных колеба- ний по длине сопла. При достаточной концентрации гетерогенных зародышей скачок конденсации пере- ходит в стационарный режим и сдвигается вниз по потоку. При дальнейшем увеличении 0.014 0.016 0.018 0.020 0.022 l, м 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 P /P o 1 2 3 4 5 Рис. 3. Распределение давлений пара вдоль сопла для различных значений времени при неравновесном расширении в расширяющемся сопле: концентрация гетерогенных зародышей конденсации Iq = 5,0⋅10 13 1/кг 1 – t = 5,2212⋅10 –4 с; 2 – t = 5,7433⋅10 –4 с; 3 – t = 6,2654⋅10 –4 с; 4 – t = 6,7876⋅10 –4 с; 5 – t = 7,3097⋅10 –4 с 0.014 0.016 0.018 0.020 0.022 l, м 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 P /P o 1 2 3 4 5 Рис. 4. Распределение давлений пара вдоль сопла для различных значений времени при неравновесном расширении в расширяющемся сопле: концентрация гетерогенных зародышей конденсации Iq = 9,0⋅10 13 1/кг 1 – t = 5,2212⋅10 –4 с; 2 – t = 5,7433⋅10 –4 с; 3 – t = 6,2654⋅10 –4 с; 4 – t = 6,7876⋅10 –4 с; 5 – t = 7,3097⋅10 –4 с АЭРО- И ГИДРОМЕХАНИКА В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ МАШИНАХ ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2013, Т. 16, № 3 7 концентрации гетерогенных зародышей течение пара все ближе приближается к равновес- ному [9]. Таким образом, изменение концентрации гетерогенных зародышей конденсации может служить достаточно мощным механизмом влияния на режим течения неравновесно конденсирующегося влажного пара, что позволит увеличить экономичность и надежность энергетических машин, работающих в области влажного пара. Литература 1. Дейч М. Е. Газодинамика двухфазных сред / М. Е. Дейч, Г. А. Филиппов. – М.: Энергия, 1968. – 424 с. 2. Салтанов Г. А. Сверхзвуковые двухфазные течения / Г. А. Салтанов / Под ред. М. Е. Дейча, В. Ф. Степанчука. – Минск: Высш. шк., 1972. – 480 с. 3. Качуринер Ю. Я. Комплекс программ «Влажный пар» / Ю. Я. Качуринер // Тр. НПО Центр. котло- турбин. ин-та. Основные физико-технические проблемы энергооборудования. – СПб, 2003. – 186 с. 4. ������������� патент ������ ���, ��������. �публ. ��.��.��, ��� � ��� 5. ���������� �краина, ��� ��������. �пособ увели�ения ��� паровых турбин � �. �. �кляров, �. �. �арелин ��краина�. � � ������������ �аявлено ��.��.��� �публ. ��.��.��, ��л. ���. 6. Тарелин А. А. Электрофизические явления в паровых турбинах / А. А. Тарелин, В. П. Скляров, О. Верес, Н. В. Сурду // Пром. теплотехника. – 1999. – № 4–5. – С. 98 – 102. 7. Тарелин А. А. Особенности измерения объемной плотности зарядов во влажном паровом потоке турбины / А. А. Тарелин, В. П. Скляров, В. П. Крыженко // Пробл. машиностроения. – 2000. – Т. 3, № 1.2. – С. 11 – 16. 8. Тарелин А. А. Математическое моделирование процессов, происходящих при неравновесном рас- ширении влажного пара / А. А. Тарелин, В. П. Скляров, А. С. Ковалев // Пробл. машиностроения. – 2008. – Т. 11, № 1. – С. 3 – 7. 9. Тарелин А. А. Влияние искусственных центров конденсации на выпадение влаги / А. А. Тарелин, В. П. Скляров, А. С. Ковалев // Пробл. машиностроения. – 2008. – Т. 11, № 2. – С. 3 – 9. Поступила в редакцию 10.07.13 0.014 0.016 0.018 0.020 0.022 l, м 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 P /P o Рис. 5. Распределение давлений пара вдоль сопла для различных значений времени при неравновесном расширении в расширяющемся сопле: концентрация гетерогенных зародышей конденсации Iq = 1,0⋅10 14 1/кг 0.014 0.016 0.018 0.020 0.022 l, м 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 P /P o Рис. 6. Распределение давлений пара вдоль сопла для различных значений времени при неравновесном расширении в расширяющемся сопле: концентрация гетерогенных зародышей конденсации Iq = 2,0⋅10 14 1/кг