بخشی از مقاله
چکیده
حضور فاز مایع علاوه بر خسارت مکانیکی و خوردگی پرههای توربین باعث ایجاد افت ترمودینامیکی و آیرودینامیکی شده و در نتیجه از راندمان توربین میکاهد. معمولا عبور جریان دوبعدی در یک توربین بخار را با عبور بخار از نازل همگرا – واگرا شبیهسازی میکنند.در طول انبساط سریع در نازل همگرا- واگرا، در قسمت واگرای نازل بخار به شرایط مافوق اشباع میرسد و یک پروسه چگالش در مدت زمان کوتاهی در جریان مافوق صوت درون نازل اتفاقمی افتد.این شرایط باعث میشود ابتدا بخار به حالت مادون سرد و سپس به یک مخلوط دوفازی شامل بخار اشباع و ذرات مایع - بخار مرطوب - 1 تبدیل میشود.
در قسمت همگرای شیپوره، جریان به صورت خشک باقی مانده و قطرات آب در پایین دست گلوگاه ظاهر میشوند. ظهور این قطرات و حرارت نهان آزاد شده حاصل از میعان بخار، باعث ایجاد یک ضربه چگالش در جریان میشود.در این تحقیق ضمن بررسی اثرات ناشی از فرایند چگالش و تشکیل قطرات آب و معادلات جوانهزایی و رشد قطره، جریان به صورت تراکمپذیر و در حالت دوبعدی در حالت غیرلزج با استفاده از نرم افزار فلوئنت مورد بررسی قرار گرفت و نتایج بدست آمده تطابق خوبی با دادههای تجربی و عددی کارهای انجام شده دارد. در این تحقیق علاوه بر مقایسه حالت لزج با غیرلزج، تغییر دادن پارامتر ورودی جریان از جمله فشار سکون میزان تاثیر این پارامتر را در قدرت و موقعیت شوک چگالشی برای کاهش رطوبت و افزایش راندمان مورد بررسی قرار میدهیم
کلمات کلیدی: بخار مرطوب، جوانهزایی، نازل همگرا- واگرا، شوک چگالش
.1 مقدمه
امروزه در صنایع و در قطعات صنعتی مختلف از نازلهای مافوق صوت - همگرا -واگرا - استفاده قابل توجهی میشود. معمولا سیال عامل مورد استفاده در نازل، هوا و یا بخارآب است. سیال عامل مورد بررسی در این مقاله بخارآب میباشد. در نازل همگرا-واگرا بخار پرفشار وارد شده و در خروجی جریانی با سرعت بالا و فشار پایین بوجود میآید.این بخار پرفشار ورودی منبسط میشود و در طول این انبساط سریع، در قسمت واگرای نازل، بخار به شرایط مافوق اشباع2 میرسد و یک پروسه چگالش در مدت زمان کوتاهی در جریان مافوق صوت درون نازل اتفاق میافتد. این شرایط باعث میشود ابتدا بخار به حالت مادون سرد 3و سپس به یک مخلوط دوفازی شامل بخار اشباع و ذرات مایع4 تبدیل شود. به این ذرات مایع تشکیل شده بخار مرطوب گفته میشود.
اولین حل دوبعدی، برای جریان چگالشی در نازلها و بین تیغههای توربین به وسیله باختر و توچایی[1] بر اساس روش تایم مارچینگ دنتون ابداع شد. جواب های حاصل از این حل از دقت مناسبی برخوردار نبود، برای همین فعالیتهای مختلفی برای بهتر نمودن حل انجام گردید. از مهمترین آنها اعمال روش تایم مارچینگ دنتون در پره های توربین توسط باختر و مهپیکر[2] است. وایت و همکارانش[3] تئوری جریان چگالشی و چگونگی تشکیل شوک چگالش در پرههای توربین را مورد تایید قرار دادند. تیمورتاش[4] برای بهتر شدن جواب ها از روش رانج کوتا منسوب به جیمسون استفاده نمود و نشان داد که روش جیمسون در آشکارسازی شوکهای چگالشی قابلیت بالایی دارد.
کرمانی و گربر[5] بصورت نرمافزاری به پیشبینی تلفات ترمودینامیکی و آئرودینامیکی ناشی از اثرات لزجت و شوک ها در مقایسه با تلفات ترمودینامیکی پرداختند و نتیجه گرفتندکه تلفات آئرودینامیکی ناشی از اثرات لزجت و شوک ها در مقایسه با تلفات ترمودینامیکی تشکیل قطرات بسیار بیشتر است یاماموتو [6] با استفاده از روش تفاضل محدود، جریان بخار مرطوب و لزج را بین پرههای توربین حل نمود. فلیپو و همکارانش[7] جریان بخار مرطوب را داخل یک را در داخل یک کانال همگرا– واگرا یا نازل به صورت لزج بررسی نمودند. در ادامه تیمورتاش[8] به تحلیل اثر نرخ انبساط بخار بر تولید بی نظمی جریان چگالشی درون یک نازل همگرا-واگرا به صورت تحلیلی و یک بعدی پرداخت و نتیجه گرفت که افزایش نرخ انبساط موجب افزایش درصد رطوبت و تخریب اگزرژی میشود.دراین مقاله سعی شده است اثر لزجت در جریان آرام و همچنین اثر فشار ورودی درون یک نازل همگرا-واگرا بر عملکرد و نرخ تشکیل رطوبت آن مدل سازی شده است.
.2 معادلات حاکم
قبل از بیان مدل ریاضی مسئله، فرضیات ساده کننده مربوط به روابط مشخص شده است. فرض بر آن است که ذرات در یک منطقه از سیال و با اندازه یکسان و شکل کروی تشکیل میشوند. به علت کوچک بودن اندازه ذرات از حجم و سرعت نسبی آنها با فاز گاز صرفنظر شده است. همچنین تقابل و برخورد بین ذرات نادیده گرفته شده است[ 9] برای مدل سازی ریاضی پدیده بخار مرطوب، علاوه بر معادلات بقا به دو معادله کمکی نیازاست:که در رابطه - 1 - کمیت β نسبت حجمی فاز مایع به فاز کل میباشد و کمیت η تعداد ذرات بر واحد حجم بوده و به شکل زیر تعریف میشود:در این تحقیق محاسبات مربوط به جریان نامتعادل و جوانهزایی همگن انجام شده است و اثرات عدم همدمایی بین فازها در نظر گرفته شده است .[10] رابطه نرخ جوانهزایی به شکل زیر بیان میشود:
زمانی که ضریب چگالش،ثابت بولتزمن،جرم یک مولکول،تنش سطحی و ضریب تصحیح برای عدم همدمایی است و به صورت زیر تعریف میشود:[11] همچنین در رابطه - 5 - کمیت شعاع بحرانی ذره بوده و رابطه آن به شکل زیر است: و در این رابطه S نسبت اشباع نام دارد و خواهد بود:رابطه انتقال انرژی مربوط به گرمای نهان آزاد شده از ذرات نیز به صورت زیر میباشد:
همچنین انحراف از تعادل گرمایی برای بخار با رابطه - 10 - اندازهگیری میشود: - 10 - نرخ تولید ذرات در طول پروسه چگالش که در اثر جوانهزایی،تشکیل و تبخیر ذرات میباشد و در رابطه - 2 - به آن اشاره شد، در قالب رابطه - 11 - آورده شده است: - 11 -
.3روش حل و شرایط مرزی
جریان تراکمپذیر بخار، درون نازل به صورت دو -بعدی و در حالت پایا به روش ناصریح عددی مورد بررسی قرار گرفته است. معادلات با روش آپویند مرتبه دوم 1 و به کمک بسط تیلور با دقت قابل قبولی حل شده اند. هندسه نازل مورد استفاده شده مربوط به نازل موسس و استاین[12] میباشد:در اینجا به منظور گسستهسازی و حل معادلات حاکم بر جریان سیال، از نرمافزارانسیس فلوئنت استفاده شده است. شرایط مرزی به صورتی است که فشار و دمای سکون ورودی به ترتیب 70727,5pa و 377K در نظر گرفته شده است. شرایط دیواره نازل بدون لغزش و آدیاباتیک است و جریان نسبت به خط مرکزی نازل متقارن فرض شده است. همچنین جریان در صفحه خروجی مافوق صوت فرض میشود. با توجه به هندسه این آزمایش نقطه گلوگاهی2 نازل در فاصله 6,22cm از مرز ورودی قرارگرفته است.
