تحليل عددي اثر شوك و پارامترهاي مختلف بر جريان دوفاز در شيپوره همگرا-واگرا با روش‌هاي تعادلي و غير تعادلي

Numerical analysis of shock and effects of various parameters on two-phase flow in convergent-divergent nozzle using equilibrium and non-equilibrium methods

در پره‌‌هاي توربين بخار و شيپوره بخار، پيشگويي ناحيه تقطير بسيار با اهميت است. در شناسايي محل تقطير به روش تعادلي، با برخورد جريان بخار به گنبد دو فاز، فاز دوم تشكيل شده و خواص جريان بدون هيچ پرشي از محل تقطير عبور مي‌نمايند، لذا پس از عبور از منحني اشباع، تشكيل قطرات را شاهد مي‌باشيم. اما در روش غير تعادلي با افزايش يك فشار ناگهاني موسوم به شوك ميعان، شاهد يك ناپيوستگي در مشخصه‌‌هاي جريان بوده و پس از عبور از منحني اشباع، تشكيل قطرات آغاز ميگردد. در اين مقاله، تحليل عددي يك جريان دو فاز بخار- مايع حدود صوت در يك شيپوره همگرا- واگرا همراه با شوك و در حالت بدون شوك صورت گرفت. اثرات لزجت، هندسه و دماي سكون ورودي به شيپوره با استفاده از روش‌‌هاي ترموديناميكي تعادلي و غيرتعادلي مورد بررسي قرار گرفته و نتايج عددي با نتايج تحربي مقايسه گرديد. براي حل عددي جريان دو فاز بخار- مايع از روش عددي رو استفاده شده است. خواص اصلي جريان در مرز المان‌ها با دقت مرتبه سوم ماسل برون‌يابي شده وگسسته سازي زماني با استفاده از روش صريح دو مرحله اي لكس- وندرف با دقت مرتبه دوم صورت گرفت. مشاهده ميشود كه نتايج حل غيرتعادلي تطابق بيشتري با نتايج تجربي دارد و چگالش در شيپورهاي زودتر آغاز ميگردد كه داراي نرخ انبساط بيشتري باشد. با افزايش دماي سكون ورودي به شيپوره، محل شروع چگالش جريان درطول شيپوره پيشروي مي‌‌نمايد. همچنين در جريان لزج در مقايسه با حالت غير لزج محل تشكيل شوك به گلوگاه نزديكتر ميگردد.

The prediction of distillation zone is very important in steam turbine blades and steam nozzles. In identification of distillery with equilibrium method, as the steam flow contacts the two-phase dome, the second phase forms and flow properties will pass the distillery without any jumping. Hence, after crossing the saturation curve the droplet formation transpires in non-equilibrium method by a sudden increase in pressure called “condensation shock”. A discontinuity in the flow characteristics is observed and after crossing the saturation curve, the formation of droplets start. In this paper the numerical analysis of a vapor-liquid two-phase transonic flow in a convergent-divergent nozzle with and without shock is investigated. The effects of stagnation temperature at the nozzle inlet, viscosity and geometry are studied using thermodynamic equilibrium and non-equilibrium methods by comparing the results with experimental data. Roe numerical method is used for vapor-liquid two-phase flow solution. The main properties of the flow at the boundary of elements is extrapolated by MUSCL, which is a third order accurate method. The time is discretized using an explicit second order accurate of two-step Lax-Wendroff method. It is observed that the results of non-equilibrium solution are more correlated to the experimental results and condensation starts earlier in the nozzle with further expansion rate. By increasing the temperature at the nozzle inlet, the placement at which condensation starts goes forward. Also the shock location in viscous flow comes closer to the throat in comparing with that of non-viscous flow.