Badania przepływów transonicznych z kondensacją pary wodnej

Dykas, S.

Artykuł - szczegóły

Tytuł artykułu

Badania przepływów transonicznych z kondensacją pary wodnej

Autorzy

Dykas S.

Identyfikatory

Warianty tytułu

Research of transonic flows with condensation of water steam

Języki publikacji

Abstrakty

Praca dotyczy zagadnień modelowania zewnętrznych i wewnętrznych ustalonych przepływów ściśliwych w zakresie prędkości okołodźwiękowych z uwzględnieniem zjawiska kondensacji pary wodnej. W pracy przedstawiona została metoda numeryczna, służąca do badań przepływów transonicznych pary wodnej oraz powietrza wilgotnego z kondensacją homogeniczną i/lub heterogeniczną. Opisany został szczegółowo model fizyczny oraz krótko przyjęta do obliczeń metoda numeryczna. Metoda obliczeniowa bazuje na rozwiązaniu uśrednionych równań Naviera-Stokesa (RANS), uzupełnionych o model turbulencji SST k-omega oraz fenomenologiczne modele kondensacji homogenicznej i heterogenicznej. Przedstawiono szereg wyników obliczeniowych służących do weryfikacji opracowanej metody numerycznej dla przepływu bez kondensacji. Dodatkowo dokonano szeregu obliczeń sprawdzających poprawność opracowanej metody dla przepływu pary wodnej oraz powietrza wilgotnego z kondensacją. Wyniki te wskazują na poprawność opracowanej metody zarówno dla przepływu jedno jak i dwufazowego. Przeprowadzono obliczenia w celu określenia poprawności obliczeń strat aerodynamicznych (efektów lepkościowych i falowych) oraz termodynamicznych (efektów nierównowagowych i przemian fazowych). Następnie przy użyciu zaprezentowanego kodu numerycznego przedstawiono wyniki analizy pola przepływu w kanałach łopatkowych rzeczywistych turbin parowych, jak i wokół skrzydła lotniczego. Dalsza część pracy zawiera dyskusję efektywności opracowanego narzędzia numerycznego i podsumowanie rezultatów wykonanych testów numerycznych. Końcowa część pracy zawiera opis stanowiska do badań eksperymentalnych jako wygodnego i taniego narzędzia do tworzenia szeregu danych eksperymentalnych służących do weryfikacji metod numerycznego modelowania przepływu z kondensacją homogeniczną i/lub heterogeniczną.

This work deals with problems of numerical modeling of external and internal steady compressible transonic flows taking condensation process of water steam into consideration. In this work numerical method for research of transonic flows water steam and moist air with homogenous and/or heterogenous condensation is presented. The detailed description of physical model and short presentation of used numerical methods is carried out. Numerical method bases on the solution of Reynolds averaged Navier-Stokes equations (RANS) coupled with SST k-omega turbulaence model and models of homogeneous condensation. Many numerical results for code validation of the ideal gas flow without condensation process are discussed. Additionally, many numerical tests for wet steam and moist air flows with condensation are presented. These results show correctness of elaborated numerical code for the one- and two-phase flows. Test calculations for correct determination of the aerodynamic and thermodynamic losses are described. Next, by means of presented CFD code analysis of flows in real blade-to-blade steam turbine channels and around the wing are discusses. The next part of the work includes discussion of presented numerical code efficiency and summary of the carried out numerical tests. The final part presents description of the designed experimental stands as an convenient and effective tool for creation of the measurement data for verification of the numerical method modeling of the flow with homogeneous and/or heterogeneous condensation.

Słowa kluczowe

przepływ transoniczny przepływ ustalony para wodna równanie Naviera-Stokesa

transonic flows steady flow water vapour Navier-Stokes equation

Wydawca

Wydawnictwo Politechniki Śląskiej

Czasopismo

Zeszyty Naukowe. Energetyka / Politechnika Śląska

Rocznik

2006

Tom

z. 144

Strony

1--119

Opis fizyczny

Bibliogr. 73 poz.

Twórcy

autor

Dykas S.

Politechnika Śląska, Instytut Maszyn i Urządzeń Energetycznych, 44-100 Gliwice, ul.Konarskiego 18, pokój 431A, tel. (032) 2371971

Bibliografia

1. Adam S., (1996), Numerische und experimentelle Untersuchung instationaerer Duesenstroemungen mit Energiezufuhr durch homogene Kondensation, Dissertation Fakultaet fuer Maschinenbau, Universitaet Karlsruhe
2. Bakhtar F., Tochai M.T. (1980):, An Investigation of Two-Dimensional Flows of Nucleating and Wet Steam by the Time-Marching Method, Int. J. Heat & Fluid Flow, Vol 2,No.l.
3. Bakhtar F., Ebrahimi M., Webb R.A. (1995), On the Performance of a Cascade Turbine Rotor Tip Section Blading in Nucleating Steam - Part l.surface pressure distributions, Proc Inst. Mech. Engrs., Vol. 209, pp.l 15-123, IMechE
4. Barschdorff D. (1967), Kurzzeitfeuchtemessung und ihre Anwendung bei Kondensationserscheinungen in Lavalduesen, Stroemungsmechanik und Stroemungsmaschinen, G.Braun-Verlag, Karlsruhe, Vol.6, 18-39
5. Barschdorff D., Filipov G.A. (1970), Analysis of Special Conditions ofthe Work ofLaval Nozzles with Local Heat Supply, Heat Transfer-Soviet Research, Vol.2, 76-87
6. Barschdorff D., (1971), Verlauf der Zustandsgrossen und gasdynamische Zusammenhange der spontanen Kondensation reinen Wasserdampfes in Lavaldusen, Forsch. Ing.-Wes. Vol.37, Nr 5.
7. Baumann K. (1921), Some Recent Developments in Large Steam Turbine Practice, Journal of Institute Electrical Eng. Vol.59
8. Benetschik H. (1997), Berechnung der sub- und transsonischen dreidimensionalen Strömung in Verdichtern mit einem impliziten Relaxationsverfahren, Fakultät für Maschinenwesen Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen, Habilitationsschrift, 1997.
9. Bohn D., Kerpicci H., Ren J. Surken N. (2001),. Homogeneous and Heterogeneous Nucleation in a Nozzle Guide Vane of a LP-Steam Turbine, 4th European Conference on Turbomachinery, 813-822
10. Bohn D.E., Kerpicci H., (2000), Lagrangian/Eulerian Calculation Approach in the Computation of Homogeneous Condensation in a Nozzle Guide Vane of a LP-Steam Turbine, Proc. Of the 8th Int. symp. On Transport Phenomena and Dynamics of Rotating Machinery, ISROMAC-8, Vol.l
11. Cook, P.H., M.A. McDonald, M.C.P. Firmin (1979), Aerofoil RAE 2822 - Pressure Distributions, and Boundary Layer and Wake Measurements, Experimental Data Base for Computer Program Assessment, AGARD Report AR 138
12. Chmielniak T. (1994), Przepływy transoniczne, Ossolineum, Warszawa
13. Chmielniak T.J., Wróblewski W., Dykas S. (1997), Calculation ofwater vapour flow with condensation, Archives of Thermodynamics, Vol. 18, pp.99-114
14. Chmielniak T., Łukowicz H. (1999), Modelling of the flow in a turbinę stage with a different loadfrom nomina,. Politechnika Łódzka, Turbomachinery No. 115, 47-54.
15. Dejcz M., E., Filippow G., A. (1981), Gazodynamika dwuchfaznych sried, Energija, Moskwa
16. Dohrmann U. (1989):, Ein numerisches Verfahren zur Berechnung stationärer transsonischer Strömungen mit Energiezufuhr durch homogene Kondensation, Dissertation, Universität Karlsruhe (TH).
17. Dykas S. (2001):, Numerical Calculation ofthe Steam Condensing Flow, Task Quarterly, Gdańsk, Vol.5, No4.
18. Dykas S., Wróblewski W , Chmielniak T., (2003):, Numerical Research on the Flow Through the Last Rotor ofLP Steam Turbine, 5th Euromech Fluid Mechanics Conference,
19. Dykas S., Goodheart K.A., Schnerr G.H. (2003), Numerical research on the losses in the flow through LP steam turbines, In: Proceedings 12th Int. Conference on Fluid Flow Technologies, edited by T.Lajos, J.Vad, published by Department of Fluid Mechanics Budapest University of Technology and Economics, Vol. 2, pp.:899-906, Budapest Hungary, September 3-6
20. Dykas S., Goodheart K.A., Schnerr G.H. (2003), Numerical Study of Accurate and Efflcient Modeling for Simulation of Condensing Flow in Transonic Steam Turbines Proceeding of the 5th European Conference on Turbomachinery, edited by M.Stastny, C.H.Siverding, G.Bois, pp.751-760, Prague, Czech Republic
21. Fletcher N. H. (1962):, The Physics ofthe Rainclouds, p.386 Cambridge University Press, Cambridge.
22. Frenkel J. (1946), Kinetic Theory ofLiquids, Oxford University Press, New York
23. Goodheart K.A., Dykas S.,Schnerr G.H. (2003), Numerical Modeling of Heterogeneous/Homogeneous Condensation on the ONERA M6 Wing, In: Proceedings 12th Int. Conference on Fluid Flow Technologies, edited by T.Lajos, J.Vad, published by Department of Fluid Mechanics, Budapest University of Technology and Economics, Vol. 1, pp.335-342, Budapest, Hungary, September 3-6
24. Gorbunov B., Hamiltion R. (1997), Water Nucleation on Aerosol Particles Containing both Soluble andlnsoluble Substances, J. Aerosol Sei., Vol. 110, No.20, 10035-10045
25. Górski J. (1997), Modelowanie właściwości i procesów cieplno-przeplywowych gazu rzeczywistego, Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów
26. Gyarmathy G. (i960):, Grundlagen einer Theorie der Nassdampfturbine, Juris Verlag, Zürich
27. Gyarmathy G., Mayer H. (1965), Versuche ueber den Einfluss der Entspanungs-schnellichkeit auf die Nebelbildung in uebersaettigten Wasserdampf, VDI-Forschungsheft, nr508
28. Heiler M., (1999), Instationaere Phaenomene in homogen/heterogen kondensierenden Duesen- und Turbinenstroemungen, Dissertation, Universität Karlsruhe.
29. Hill P.G. (1966), Condensation ofwater vapour during supersonic expansion in nozzles, J. Fluid Mech., Vol.25, pp.593-620
30. Jonas O. (1985), Steam Turbine Corrosion, Materials Performance, 24, 2, pp. 9-18
31. Jonas O. et al.(1996), Copper Deposition and MW Loss Problem Solutions, Papel presented at the 57th Int'l Water Conference, Pittsburgh
32. Jonas O. (2000), Effective Cycle Chemistry Control, Power Station Chemistr) Conference. May 15-16, Queensland, Australia
33. Johnson, D.A., Horstman, C.C., Bachalo, W.D. (1982), Comparison Between Experimen and Prediction for a Transonic Turbulent Separated Flow, AIAA Journal, Vol. 20 pp.737-744
34. KiocrR^Lehthaus F., Barnes, N.C. (1986), Sieverding C.H., The Transonic Flo, Through a Plane Turbine Cascade as Measured in Four European Wind Tunnels, J. Eng. For gas Turbine and Power, Vol. 108, pp. 277-287
35. Kotake S., Glass I., I. (1981), Flows with Nucleation and Condensation, Prog. Aerospac Sc, Vol. 19, s. 129
36. KnudsenM. (1915), Ann. der Physik, Vol.47, pp.679
37. Krzyżanowski J. (1991), Erozja łopatek turbin parowych, Zakład Narodowy Ossolińskich, Wrocław-Warszawa
39. Lampart P., (2003), Numerical Optimization of 3D Blading in the LP Exit Stage of Steam Turbine for Different Load Conditions, 5-th European Conference on Turbomachinery, Prague
40. Menter, F.R. (1994), Two-equation Eddy-Viscosity Turbulence Models for Engineering Applications, AIAA J., 32, 1598-1605
41. Menter F.R. (1996), A Comparison of the Some Recent Eddy- Viscosity Turbulence Models, Journal of Fluids Engineering, Vol.118, pp.514-519
42. Moore M. J., Sieverding C. H. (1976), Two-Phase Steam Flow in Turbines and Separators, Hemisphere Publishing Corporation, McGraw-Hill, New York, USA
43. Moore M.J., Walters P.T., Crane R.I., and Davidson B.J. (1973), Predicting the Fog-group Size in Wet-Steam Turbines, Inst. Mech. Engrs., Wet Steam 4 Conference, paper C/37/73
44. Moses C.A. and Stein G.D. (1978), On the Growth of Steam Droplets Formed in a Laval Nozzle using both Static Pressure and Light Scattering Measurements, ASME J. Fluids Eng., Vol.100, pp.311
45. Petr V., Kolovratnik M. (2001), Heterogeneous Effects in the Droplet Nucleation Process in LP Steam Turbines, 4th European Conference on Turbomachinery, 783-792
46. Pruppacher H. R. and Klett J. D.(1980), Microphysics of Clouds and Precipitation, p.714. Reider, Holland
47. Puzyrewski R. (1969), Kondensacja pary wodnej w dyszy de Lavala, PWN, Warszawa-Poznań
48. Puzyrewski R., Król T. (1976):, Numerical Analysis of Hertz-Knudsen Model of Condensation, Prace IMP, nr 70-72.
49. Sajben, M., Kroutil, J.C. (1981), Effect of Initial Boundary-Layer Thickness on Transonic Diffuser Flow, AIAA Journal, Vol. 19, pp.1386-1393
50. Schmitt, V. and F. Charpin (1979), Pressure Distributions on the ONERA-M6-Wing at Transonic Mach Numbers, Experimental Data Base for Computer Program Assessment. Report of the Fluid Dynamics Panel Working Group 04, AGARD AR 138
51. Schnerr G.H. (1986), Homogene Kondensation in stationaeren transsonischen Stróemungen durch Lavalduesen und urn Profile, Habilitationsschrift, Fakultaet fuer Maschinenbau, Universitaet Karlsruhe
52. Schnerr, G.H., Dohrmann, U. (1994), Drag and Lift in Nonadiabatic Transonic Flow, AIAA Journal, vol.32, No.l
53. Singh U. (1999), Method for Nucleating Steam Flow in Low-pressure Turbine Stages, IMechE Conference Transactions 1999-IB, London, 827-836
54. Skillings S.A., Moore M. J., Walter P. T., Jackson R. (1988), A Reconsideration of Wetness Loss in LP Steam Turbines, Technology of Turbine Plant Operating with Wet Steam, BNES, London
55. Śliwa A.(2003), Wpływ stopnia czystości pary na procesy korozyjne występujące w części przepływowej turbiny. Energetyka
56. Stastny M., Jonas O., and Sejna M. (1995), Modelling the Flow with Condensation and Chemical Impurities in Steam Turbine Cascades, EPRI Workshop on Moisture Nucleation in Steam Turbines, Rochester, Oct. 24-26
57. Stastny M., Sejna M., Jonas O., (1997):, Modelling the Flow with Condensation and Chemical Impurities in Steam Turbine Cascades, 2nd European Conference on Turbomachinery-Fluid Dynamics and Thermodynamics, Antwerpen.
58. Stastny M., Sejna M. (2001) Two-Population Numerical Model of Heterohomogeneous Condensation of the Steam Flowing in Turbine Cascades, 4th European Conference on Turbomachinery, 803-812
59. Stodoła A. (1922J, Dampf- und Gasturbinen, 5. Auflage, Springer-Verlag, Berlin
60. Traupel W. (1966), Thermische Turbomaschinen, Springer Verlag, Berlin-Heidelberg-New York
61. Wada, Y. and Liou M. (1997), Accurate and robust flux splitting scheme for shock and contact discontinuities, SIAM Journal on Scientific Computing, vol.18, p.633-657
62. Wagner W, Rukes B. (1998), IAPWS-IF97: Die neue Industrie-Formulation, BWK, 50, Nr. 3, 42-47
63. White A.J., Young J.B. (1993), A Time-marching Method for the Prediction of Two-dimensional Unsteady Flows of Condensing Steam, J. of Propulsion and Power, Vol.9, pp.579-587
64. White, A. J., Young J. B., Walters P.T. (1996):, Experimental Validation of Condensing Flow Theory for a Stationary Cascade of Steam Turbine Blades, Phil. Trans. R. Soc. Lond. A. 354 599-88
65. Winkler G., (2000), Laufrad-Leitrad-Wechselwirkung in homogen-heterogen kondensieren den Turbinenstroemungen, Dissertation, Universitaet Karlsruhe
66. Wróblewski W. (2000), Numeryczna symulacja zjawisk przepływowych w turbinach cieplnych, Zeszyty Naukowe Polit. Śląskiej, s.Energetyka, z. 132, Gliwice
67. Wróblewski W., Chmielniak T., Dykas S., Łukowicz H., Górski J., Pająk S. (2001), Modelowanie efektów gazu rzeczywistego w transonicznym przepływie przez układy łopatkowe maszyn wirnikowych, Sprawozdanie IMiUE z grantu KBN Projekt 7T07B 00517, Gliwice
69. Wróblewski W., Dykas S., (2004), Experience in Two-Phase Steam Flow Calculations, 22nd CAD-FEM Users' Meeting 2004, International Congress on FEM Technology with ANSYS CFX & ICEM CFD Conference, Dresden
70. Wukalowicz M.P., Zubariew W.N., Sergiejewa L.W. (1967), Urawnienie sostojanija pieriegrietogo wodiannogo para progodnoje dla rasczotow turbin s pomoszcziu ECWM, Tieploenergetika, 5, 60-66
71. Wukalowicz M.P., Rivkin C.L. (1969), Equations of State of the Superheated Water Vapor, Teploenergetika, 3, 60-66 (in Russian)
72. www.galleryoffluidmechanics.com
73. Zhou S., Turnbull A. (2003), Operating Conditions and Impurities in Condensates,Liquid Films and Deposits, Corrosion Engineering Science and Technology, Vol. 38 No 2

Typ dokumentu

Bibliografia

Identyfikator YADDA

bwmeta1.element.baztech-article-BSL7-0012-0035