CFD在“汽轮机原理”课程教学中的应用

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　　[摘 要] 提出将CFD引入“汽轮机原理”的教学中，通过CFD强大的图形后处理功能，形象、直观地展示汽轮机通流部分流体参数变化，改善多媒体教学方法。以汽轮机原理的核心内容“级的工作原理”为例，展示了CFD应用于级内流场的讲授过程，以图形结果形象地解释了级内流体的压力、速度、速比及反动度等参数变化规律。CFD的引入能够丰富多媒体教学资源，提高教学效果，激发学生科研兴趣。
　　[关键词] 汽轮机;CFD;多媒体教学;教学方法
　　[作者简介] 许万军，南京工程学院教师。
　　[中图分类号] G642.0    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2020）19-0301-03    [收稿日期] 2019-09-05
　　一、汽轮机原理教学存在的问题
　　“汽轮机原理”是面向能源动力类专业学生开设的重要核心课程，旨在向学生介绍汽轮机的级的工作原理、多级汽轮机、变工况、结构强度、控制调节及凝汽器设备等相关专业内容。由于课程内容繁杂、知识点抽象，学生接受知识的难度较大，以往教学经验表明学生的学习兴趣随课程进展很快下降。为了改善汽轮机原理教学现状，很多教研教改方法被提出[1-6]：首先需要合理规划教学内容，遵从循序渐进规律，引导学生从旧知引入新知，提高教学效果[1，2]。其次，采用多媒体教学辅助手段，使抽象的语言描述转变为直观、生动、形象的视频内容，提高学习效率[3，4]。进一步开展学研结合，探讨相关科研前言，介绍新技术、新思维和新成果，启发学生想象力[5，6]。目前，多媒体教学已经广泛应用于汽轮机原理的教学中且取得了一定成果，但是当前多媒体教学资源有限，偏重于汽轮机的结构部分，缺少对汽轮机通流部分流体机理的描述。
　　二、CFD介绍及应用
　　CFD（Computational Fluid Dynamics）是流体力学的一门分支学科，它通过数值法求解流体力学方程，得到计算域内任意位置的参数。计算结果能够以图像及动画形式显示流体域内的压力和速度等参数分布，给出非常形象和直观的理解。在合理假设的情况下，数值计算结果能够与实验结果吻合较好，因此CFD也被称为数值模拟实验。当前硬件的计算能力和CFD软件的成熟度，可以满足大范围二维及小范围三维的数值模拟计算，被广泛应用于船舶水利、航空航天、电子散热、化工等各方面的流体问题分析。数值模拟实验成本很低，无须昂贵的实验设备和仪器，一台个人电脑能够处理大多数流体问题。近年来，已有研究将CFD作为教学辅助手段，引入流体力学[7]、传热学[8]、燃烧学[9]等相关课程教学。因此，可将CFD作为汽轮机原理的教学辅助手段，应用于汽轮机通流部分流体机理的讲授，丰富多媒体教学资源。
　　三、CFD辅助教学实践
　　级的工作原理是汽轮机原理的重要核心内容。蒸汽在级内喷嘴和动叶的变化规律较为抽象。采用CFD计算汽轮机级内流场，建立汽轮机级内流体案例库，可以形象、直观地展示级内参数的变化，有利于学生对级内参数的理解，提高教学效果。下面以带一定反动度的冲动级为例，介绍CFD在汽轮机级内的教学应用。
　　以某300MW冲动式汽轮机高压缸第11级作为研究对象，建立喷嘴动叶通道二维计算域，如图1所示。喷嘴叶型近似前宽后窄，动叶叶型近似对称弯曲，两叶片之间为蒸汽通流部分，喷嘴通道收缩明显，动叶通道几乎不收缩。喷嘴和动叶近壁面可适当划分边界层网格，有利于捕捉壁面附近流体特性，计算域采用非结构六面体进行离散。喷嘴入口为4.50MPa/349℃，动叶出口为4.10MPa/332℃，通道两侧为周期边界。动叶旋转对蒸汽流动的影响，可采用旋转坐标法处理，将非稳态简化为稳态，动叶线速度u为100m/s。蒸汽在級内静压的变化如图2所示，喷嘴前压力P0为4.50MPa，喷嘴后（动叶前）压力P1为4.08MPa，动叶出口压力P2为4.07MPa。压降主要体现在喷嘴叶栅上，动叶叶栅几乎无压降。意味着，冲动级的反动度很小，转子承受的轴向推力不大，此为冲动级主要特点之一。蒸汽作用于动叶上的推力可由压力沿着动叶壁面积分得到。
　　图3和图4分别为蒸汽在级内绝对速度和相对速度的矢量云图。绝对速度和相对速度是针对不同观测参考系而言，绝对速度表示以静止地面作为参考系，相对速度表示以旋转转子作为参考系。绝对速度用于描述蒸汽在喷嘴通道和动叶通道中的流动情况，相对速度用于描述蒸汽在动叶通道中的流动。蒸汽在喷嘴通道中沿着喷嘴叶型流动，获得加速后，进入动叶通道。在静止参考系下，蒸汽在动叶通道中由背弧指向内弧方向流动;在旋转参考系下，蒸汽在动叶通道中沿着动叶叶型流动。喷嘴入口速度c0为34m/s，进汽角α0近似为90°，表明蒸汽入口动能很小，沿着轴向流动。蒸汽在喷嘴中受到壁面收缩的影响，比体积膨胀，蒸汽速度c1增加到201m/s，在喷嘴斜切部分的导流作用下，出汽角α1等于叶型几何出汽角α1g，同为11°。
　　根据图5所示的速度三角形，由c1和u进行矢量计算得到动叶入口相对速度w1和相对进汽角β1，其大小与CFD结果相同，w1为102m/s，β1为20°。做完功的蒸汽从动叶通道中流出，蒸汽的相对速度w2近似等于w1，在动叶切斜部分的导流作用下，相对出汽角β2等于几何出汽角β2g，同为23°。可见，w1≈w2，β1≈β2，此为冲动级主要特点之二。
　　根据图5所示的速度三角形，由w2和u进行矢量计算得到动叶出口绝对速度c2和出汽角α2，其大小与CFD结果相同，c2为38m/s，α2近似为90°。可见，蒸汽的余速动能较低，并沿着轴向流动。由u和c1计算速比x1=u/c1=0.50，近似等于最佳速比（x1）op，说明该级工作在最佳速比状态下，余速动能最小，轮周效率最高，级的工作状态较为合理。至此，讲授了蒸汽在级内流动的主要参数变化的特点。在此基础上，可以进一步讲授蒸汽在叶型上的流动损失及温度、焓、熵、等参数的变化特点，不再赘述。 　　通过本例的分析可见，CFD强大的图形处理功能能够给出非常形象和直观的图形结果，以此作为多媒体教学资源，能够生动地讲授蒸汽在级内复杂的流动情况，提高教学效果。CFD不仅可以作为多媒体的教学资源，也可以在课堂上以实践教学的形式现场实施CFD的计算过程，激发学生对CFD的兴趣，引导学生进行科研。
　　四、结论
　　本文以汽轮机“级的工作原理”为例，通过CFD强大的图形结果，展示了蒸汽参数在级内变化的讲授过程，形象直观的图形结果提高了教学效果。CFD作为汽轮机原理的教学手段，能够丰富多媒体教学资源，但尚有待于进一步开发。未来可在级内损失、汽封、湿汽、抽汽、变工况、凝汽器等通流部分建立流体案例，完善CFD在“汽轮机原理”课堂教学中的应用。
　　参考文献
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　　Application of CFD in the Teaching of "Steam Turbine Principles"
　　XU Wan-jun， LIANG Shao-hua
　　（School of Energy and Power Engineering， Nanjing Institute of Technology，
　　Nanjing， Jiangsu 211167， China）
　　Abstract：CFD is introduced into the teaching of "Steam Turbine Principle". Through the powerful graphical post-processing function of CFD， the fluid parameters of steam turbine flow passage can be visually and intuitively displayed， and the multimedia teaching method can be improved. Taking the section of "working principle of stage" as an example， the teaching process of CFD applied to the flow field in the stage is demonstrated. The changing rules of pressure， velocity， velocity ratio and reactivity of the fluid in the stage are visually explained by the graphical results. The introduction of CFD can enrich multimedia teaching resources， improve teaching effect and stimulate students' interest in scientific research.
　　Key words：steam turbine; CFD; multimedia teaching; teaching method
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