博客分享|基于三次方方程的模型相态变化


当流体在相变时,它的流动特性和能级通常会有显著变化。这方面的例子很多:如泵行业中的空化;汽轮机出口的冷凝;哪怕是日常的天气变化也多是水的相变与空气互相作用的结果。

自然界中相变的例子
为了了解热流体模型中的相变,我们需要在理想气体模型/半理想气体模型的基础上再迈出一大步。三次方方程模型即是一种解决这一问题的最流行、最有效的模型。
三次方方程模型用一个两部分的方程来表达压力-密度-温度的关系。Redlich-Kwong方程的公式如下所示:
该方程的第一部分与理想气体方程类似。当ν的值远大于b时(对于气体通常如此),它与理想气体方程完全一致。该方程的第二部分为引力项,该部分在工质状态接近液态时占主导地位。它表达的是分子之间的斥力和引力。当分子间距离比较近(与分子大小尺寸相比)时,该作用明显。
实际上“三次”并不仅仅指的是上述方程中会出现的ν的三次方。它也指的是该方程可能有三个可能的解。也就是说有三个v可能求得一个相同的P值。为了确定哪一个v值是有效的需要一些额外的计算。
两个主要的三次方方程模型是Peng-Robinson模型和Redlich-Kwong模型。他们的类似之处在于他们都是用三次方的形式完成方程的构建,但两者之间的公式是不同的。
三次方模型的好处在于它能够模拟相变时能量和体积的大幅变化。只需要一组最小的流体数据(临界压力、临界温度、偏心因子)即可实现这一模型。偏心因子是用来表征分子形状偏离球形的一种度量。
三次方方程的缺点在于相对于理想气体模型、半理想气体模型和简单的不可压缩流体模型,它需要占用更多的计算资源。当在CFD计算或其他模型中运用三次方方程时会增大一定计算量(相对于理想气体模型、半理想气体模型和简单的不可压缩流体模型),但通常是可以接受的。
对于气相和部分液相,三次方方程被认为是很准确的。但对于纯液相或临界点附近的状态,三次方方程则不太准确。临界点附近的流体即表现出气态性质又表现出液态性质。其相变的能量趋近于0。为了解决这一问题,人们已经提出了数百个三次方方程。这些三次方方程提高了某些区域的预测精度,但并不普遍。
三次方方程模型只应用于压力-密度-温度关系。能量方程通常在半理想的条件下求解。三次方方程模型在气象边界和存在部分流体的情况下工作的很好。因此,它们在天然气、蒸汽和制冷剂等流体的典型应用中非常有用。制冷剂主要用于气相,但在饱和线附近,它表现出非理想、类气相的性质。
为了更精准的模拟临界点附近的工质性质,需要一个更复杂的模型。这些应用可能在常规的叶轮机设计中并不常见,但在一些特点的设计中的确存在。我们将在后续博客中继续讨论这部分内容(高级真实气体模型)。
CONCEPTS NREC BLOG


Mark R. Anderson|供稿
Mark R. Anderson,Concepts NREC首席技术官
宋威|译
何道贵|校
王娜欣|编辑
自1956年诞生以来,Concepts NREC就立足于叶轮机械设计领域,以其深厚的技术底蕴与不断创新的精神,推出了一系列集创新、品质和性能于一体的解决方案。正是这样的坚守和专注,为我们打造了无数改变世界的杰出产品与理念。无论是为清洁高效的再生能源和发电技术提供支持,还是助力航空航天事业迈向更高峰,我们始终走在时代的前沿,引领可持续发展。进一步了解Concepts NREC的精彩世界,敬请访问www.conceptsnrec.com。
软件 / 工程 / 硬件 / 培训