蒸汽管道流动的瞬变特性研究.doc

《蒸汽管道流动的瞬变特性研究.doc》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、蒸汽管道流动的瞬变特性研究摘要：推导出用于蒸汽管道水力计算的瞬变流方程，该方程包括蒸汽的状态参数、连续性参数以及运动参数。提出了求解瞬变流方程的边界条件。关键词：蒸汽输送；瞬变流；数学模型StudyonTransientFeatureofSteamFlowinPipelineZHA0Jian-xin，LIXiao-hong，LUYi-yuAbstract：Thetransientflowequationforhydrauliccalculationofsteampipelineisdeduced.Thisequationincludessteamstateparameters，co

2、ntinuityparametersandkineticparameters.Theboundaryconditionsforsolvingthetransientflowequationareputforward.Keywords：steamtransport；transientflow；mathematicalmodel   目前我国大部分蒸汽热网存在着不少问题，如蒸汽管道水击造成的安全隐患和沿线放空导致的能源浪费。因此，对蒸汽热网的水力计算以及运行模拟尤为重要。目前，国内外对蒸汽管道流动的模拟计算多是基于稳态流的数学模型，无法准确预测和分析蒸汽管道流动的瞬变特性。蒸汽在管道的

3、流动过程中，温度、压力和密度等都在随时间变化[1]。因此，蒸汽管道流动为典型的瞬变流动过程。本文采用瞬变流理论讨论蒸汽管道流动的瞬变特性。1假设   蒸汽的管道流动为定容过程，即蒸汽无膨胀做功。导致蒸汽温降的主要原因为管道散热。管壁的膨胀可以忽略不计。在任何给定的管段内，管子的倾斜率不变。应用一元流动关系式。管内壁的摩擦系数为壁面粗糙度及雷诺数的函数，一般可采用定常运动的摩擦系数。沿着管子，蒸汽的动能变化忽略不计。2基础方程   ①蒸汽的状态方程   由于蒸汽性质复杂，至今未建立起它的纯理论状态方程，可近似采用理想气体状态方程表达蒸汽状态方程[1]。为了进一步表征蒸汽的密度变化，引

4、入压缩性系数。蒸汽的状态方程见式(1)，压缩性系数z表征蒸汽密度ρ的变化。在单一问题范围内，z可视为常数。当压力为1MPa的蒸汽从温度(蒸汽饱和温度)180℃升至240℃时，名的变化范围为1.00～0.88。   p=zρRT   (1)式中p——蒸汽压力，Pa   z——压缩性系数   ρ——蒸汽密度，kg/m3   R——蒸汽气体常数，J/(kg·K)T——蒸汽温度，K   ②蒸汽流动连续性方程   根据流体的连续性特点[2]，存在关系：  式中f——沿着管子流动的时间，s   A——蒸汽管道截面积，m2   δx——微元管段的长度，m   qm——蒸汽的质量流量，kg/s，为

5、沿着管子流动的距离x和时间t的函数，对于简化的蒸汽热网为常量   x——沿着管子流动的距离，m   将式(1)代入式(2)，可得到蒸汽流动的连续性方程：      由式(3)可知，在蒸汽流动连续性方程中，蒸汽质量流量与压力都是石、t的函数，反映了蒸汽流动过程中的瞬变特性。   ③蒸汽流动运动方程   长度为δx的微元管段内流体的运动方程为：   式中α——无量纲惯性因子，以调整计算误差   a——蒸汽流动加速度，m/s2   τ——管壁摩擦切应力，Pa   D——蒸汽管道内径，m   g——重力加速度，m/s2   θ——管子与水平线之间的夹角，(°)，当管子升高时取正值   蒸汽

6、流速的计算式为：  式中v——蒸汽流速，m/s   将式(1)代入式(4)得到：      切应力τ可用达西-威斯巴哈方程表示[3]：   式中f——达西-威斯巴哈摩擦系数   将式(5)、(6)代入式(4)得到：      由于相比可忽略不计，因此运动方程变为：   3蒸汽流动瞬变流方程3.1蒸汽流动瞬变流方程   将连续性方程(3)和运动方程(9)分别用L1、L2表示并改写为：      将式(10)、(11)合并，重新整理并用L表示为：  式中λ——未知的因子，对任意两个不同的实数，就可以得到两个方程   当时，L可变为：      条件为：   定义，表征蒸汽中瞬变波动的传

7、播波速[4]；并将定义为特征线，沿着这些特征线，相容性方程(12)成立，即：    方程组(14)、(15)的图形表达见图1，将待解的蒸汽管道均分为n段，每一段的长度为缸，时间间隔为△t。△t的计算式为：  式中△t——时间间隔，s   △x——每一段的长度，m根据计算得到的△x、△t即得到该方程组求解网格。在t=0时刻，瞬变过程还没有发生，因此相距△x的各截面上的质量流量和压力可以根据传统的定常流计算得到。根据t=0时刻的已知初始状态，可以逐点计算t=△t时刻的各截