氦气轴流压气机CFD模拟与气动性能分析

摘要

10MW高温气冷实验堆(简称HTGR-10)采用布莱登直接循环系统进行能量转换，它的特点是压气机与系统的其他设备密封于同一单元内。作为氦气透平的核心技术之一，氦气压气机的研制是目前压气机发展的一个热点和难点。对于系统整体设计来说，准确地估算压气机性能，稳定性和运行性能很重要，因此针对HTGR-10氦压气机的设计方案，建立了完整的实验装置系统，并且在不同操作压力、转速下分别得到了氦气和空气作为工质时的压气机特性曲线。最后，讨论了用空气代替氦气作为工质进行实验的对比分析，以及采用压气机的空气实验数据设计氦气压气机可能性和有效性。 本文借助于计算流体力学(CFD)技术，对某氦气高压压气机设计实例进行了研究，采用空气代替氦气模拟氦气压缩机第一级，研究了由于氦气和空气两种不同工作介质的物理参数如密度、粘度、绝热指数差异引起的运动和动力不完全相似问题，分别采用因此分析法，确定物理量法和微分方程法对相似准则的确立进行对比分析，比较氦气工质和空气工质的差异性及其对相似准则选择的影响。分析产生偏差的原因，确立用空气模拟氦气压气机的相似准则，并计算出与氦气压气机设计工况相对应的空气模拟参数，分析和CFD计算表明模拟效果良好。 运用CFD流场计算软件对该压气机的平面叶栅和第一级作了氦气工质和模拟工况空气工质的详细数值模拟计算，氦气压气机气动特性和流场CFD数值计算及其与空气模拟工况计算对比。与台架测试试验结果作对比分析，并作了氦气和空气两种工质之间的对比分析，分析氦气轴流压气机的动叶流场二次流分布，为进一步优化设计提供依据。采用压气机进出口比容比相等的近似模化方法，用空气试验模拟换算氦气压气机特性是可行的。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1课题的背景及意义

1.2国内、外本课题研究动态，文献综述与分析

1.2.1国外研究动态

1.2.2国内研究动态

1.3本文的工作

1.3.1氦气压气机空气介质相似理论分析以及检验

1.3.2 CFD模拟氦气压气机不同工质气动性能计算

1.3.3氦气压气机单机试验

1.4研究难点和方法

第2章相似模化法

2.1相似理论在氦气压气机设计过程的应用

2.2空气工质和氦气工质的物性差异

2.3相似准则的确定

2.3.1因次分析法确定相似准则

2.3.2确定物理量法确定相似准则

2.3.3微分方程法确定相似准则

2.3.4不同方法建立的相似准则比较分析

2.4本章小结

第3章数值模拟方法

3.1计算流体力学软件的简介

3.2 NUMECA软件的简介

3.3 CFD数值计算方法

3.3.1控制方程

3.3.2湍流模型

3.3.3边界条件

3.3.4初始条件

3.3.5计算网格

3.3.6求解器

3.3.7收敛条件

3.4本章小结

第4章氦气轴流压气机的试验研究

4.1氦气封闭循环测试系统

4.2封闭循环实验单元的控制和数据收集系统

4.2.1压力测量

4.2.2温度测量

4.2.3转速测量

4.2.4功率测量

4.2.5其他测量

4.3试验压气机模型

4.3.1氦气压气机的气动设计特点

4.3.2单级试验压气机的结构和参数

4.3.2单级试验压气机的结构和参数

4.4单级试验压气机的空气动力学性能测试

4.5本章小结

第5章测试结果与模拟结果的分析

5.1氦气压气机的气动性能分析

5.1.1测试参数的折合计算

5.1.2 CFD模拟结果分析

5.1.3试验测试结果

5.2相似准则的检验与完善

5.3本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢