文档介绍：中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号:123182
旋转气隙内对流换热的数值研究及应用基金项目:华中科技大学自主创新项目2011TS080
鲁录义赵旭峰吴波王坤
华中科技大学能源与动力工程学院,湖北武汉 430076
Tel:027-87548658, E-mail: hust_******@.
摘要:通过对同心旋转圆柱体间环形气隙内流体对流换热情况进行数值模拟,得到了不同泰勒数Ta下流场的速度分布、温度分布和热流密度分布。计算结果表明,受流场中泰勒涡的影响,速度、温度、以及热流密度沿轴向的分布呈现周期性波动,波动频率与泰勒涡的数量相同,其中,速度与温度分布波动的变化趋势相同,热流密度波动的变化趋势与前两者相反;泰勒数Ta越大,流场的平均努赛尔数Nu越大,流场的对流换热性能越好。在对实际发电机结构中的带构槽的旋转气隙流场进行分析中发现,流中有类似泰勒涡产生,在很大程度上促进了发电机内部的散热。
关键词:数值模拟;泰勒-库特流;对流换热
0 前言
大型汽轮发电机的运行是一个复杂的物理过程,其运行过程涉及到电磁场、流场、温度场、应力场等多种物理场的综合作用。发电机内部温度场的分布是保证发电机安全稳定持续运行的关键因素。如果温升过高,会导致绝缘的损坏,使绝缘的电气性能下降并引发电机内部的各种放电、短路故障,造成汽轮发电机结构上的损坏,最终导致汽轮发电机的故障,直接影响电站的可靠、经济运行[1]。定子和转子间环形气隙作为大型汽轮发电机运行过程中通风换热的重要组成部分,其内部流场的流动换热情况需要进行深入研究。
转子外壁和定子内壁分别形成了环形气隙的内、外壁面。由于发电机定子线圈和转子线圈的存在,环形气隙的内外壁表面并不是光滑的,而是形成了与线圈位置相对应的轴向凹槽。壁面上凹槽的存在使得环形气隙中的流动换热情况异常复杂。为研究汽轮发电机内环形气隙的流动换热特性,可以首先从定子、转子间环形气隙内流动的简化模型—泰勒-库特流模型着手,通过数值模拟的方法研究其流动换热规律,了解流场的分布对流动换热的影响,以增进对汽轮发电机冷却通流部分的了解,为其通流结构的优化设计和可靠运行提供依据。
国内外很多学者都对泰勒-库特流进行过研究。Taylor[2]研究两独立同心旋转圆柱体间环形间隙内流动特性的过程中,用理论预测和实验验证了当内壁面转速达到临界转速时流场失稳,流体形成螺旋轨迹运动的现象。圆柱壁面转速较低时,流体沿壁面转动方向做简单的移动;当转速不断增大,达到临界转速后,流场失稳,流体就会形成细胞状微团并在流场中作螺旋轨迹运动,这种流动就称为泰勒-库特流,流场中形成的细胞状微团就是众所周知的泰勒涡。Wereley等[3]通过试验的方法研究了内圆柱转动外圆筒静止的环形间隙内泰勒库特流,
Hwang等[4]通过数值计算的方法对文献[5]中的试验研究情况进行了模拟验证。[5][6]通过试验研究了旋转圆筒泰勒涡的形成对内壁面换热的影响,并且得出了平均努赛尔数与旋转雷诺数的对应关系。国内有一些学者也对于泰勒-库特流的流动特性进行了研究,文献[7]~文献[9]中都是采用数值模拟的方法对流动特性进行的模拟和分析。
1 物理及数学模型
物理模型及计算区域
图 1 几何模型图 2 网格模型
几何模型