[发明专利]一种基于熵产理论与Omega法的有机朗肯循环向心透平流动损失诊断方法

说明书

本发明公开了一种基于熵产理论与Omega法的有机朗肯循环向心透平流动损失诊断方法。该方法首先根据循环的运行参数与工质，对向心透平的基本参数进行一维设计；其次，建立透平的三维模型并完成网格划分，再通过网格无关性验证确定合理的网格数量；然后，根据设计条件对向心透平的内部流场进行数值模拟；在此基础上，通过熵产理论得到局部熵产与积分熵产的分布，确定透平的高损失区域。最后，利用Omega法识别透平内部的涡结构并与熵产分布进行对比，确定产生流动损失的主要涡结构。本发明通过熵产理论与Omega法分析透平内部的流动损失及其与涡结构的关联，实现向心透平流动损失的准确诊断，为透平结构改进与效率提升提供理论指导。

技术领域

本发明涉及一种基于熵产理论与Omega法的有机朗肯循环向心透平流动损失诊断方法，适应于有机朗肯循环透平流动损失的诊断与分析，属于膨胀机内部流动损失机理相关的技术领域。

背景技术

有机朗肯循环利用低沸点有机工质吸收热能并将其转换成机械能或电能，是一种极具发展前景的中低温余热发电技术。有机朗肯循环各部件中，膨胀机的内部可避免(火用)损失最高，具有最大的改进潜力，是系统的核心部件。相比容积式与轴流式膨胀机，向心透平具有结构紧凑、流量小与单级焓降大等优点，能适应ORC系统小流量、大膨胀比的运行条件。同时，向心透平具有良好的变工况性能，能较好地适应系统运行工况的变化。因此，向心透平是有机朗肯循环膨胀机的理想选择。

向心透平气动性能直接影响ORC系统的热力性能，然而目前有机朗肯循环向心透平的等熵效率主要分布在65-80％之间，仍存在较大的提升空间。在叶轮高速旋转与内部间隙等因素的作用下，透平内部经常出现边界层分离、泄漏涡、通道涡与马蹄涡等多种流动现象，其流动损失机理极其复杂，严重制约透平气动性能的提升。因此，深入理解透平内部流动损失机理，是提升向心透平气动性能的基础与关键。

当前，一些学者采用CFD数值模拟方法对向心透平的内部流动特性进行模拟分析，研究了向心透平内部流动结构的空间分布与流动损失大小，但这些研究主要以空气为流动介质，其物性参数与有机工质存在显著差异。同时，已有研究采用总压损失或熵损失方法，即利用流体入口与待求截面压强或熵的差值表征流动损失，体现的是过程量，不能将流动损失与三维流场关联起来，难以准确定位流场中的高损失区域，存在一定的局限性。

根据热力学第二定律，熵产是衡量不可逆损失的重要参数，一些研究将熵产理论应用在水轮机、压气机及水泵等叶轮机械的流动损失分析中。熵产理论将叶轮机械内部的速度分布与流动损失直接关联起来，能准确定位流场中的高损失区域，为深入理解向心透平的流动损失机理提供了新思路。

同时，已有研究往往采用Q准则分析流体机械的内部流动结构，但是该方法会将壁面强剪切层识别为涡，极大地影响涡识别结果的准确性。Omega涡识别法能够有效地滤除非旋转涡量部分，获得较为清晰的涡结构分布，且该方法对参数值的选取不敏感，极大简化涡识别的准确性。

因此，将熵产理论与Omega涡识别法相结合，利用熵产理论获得向心透平内部局部熵产的分布规律，定位透平内部的局部高损失位置；然后，通过Omega涡识别法捕捉透平内部涡结构的分布规律，结合透平内部的熵产分布特性，诊断导致流动损失的主要涡结构，为有机朗肯循环向心透平的设计与改进提供理论指导。

发明内容

现有技术在分析有机朗肯循环向心透平流动损失机理时，存在高流动损失区域定位困难与内部流动涡结构识别准确性较低等缺点。为了解决这一问题，本发明提供一种基于熵产理论与Omega法的有机朗肯循环向心透平流动损失诊断方法，为深入理解有机朗肯循环向心透平流动损失机理提供一种新途径。

本发明的技术方案如下：一种基于熵产理论与Omega法的有机朗肯循环向心透平流动损失诊断方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)根据有机朗肯循环的运行条件，输入初始参数：透平入口压力、入口温度、出口压力、循环工质；