超临界二氧化碳气动热力物性快速解析模型研究

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以超临界二氧化碳(Supercritical carbon dioxide,SCO2)布雷顿循环为基础的能源动力系统具有效率高、压缩功小、结构紧凑等优点,压缩功小、结构紧凑等优点,未来有望取代传统的水蒸气朗肯循环。离心式压缩机作为系统核心部件之一,其气动计算及性能准确评估对布雷顿循环的开发及安全运维至关重要。为了解决SCO2气动热力物性与压缩机气动计算的耦合问题,本文采用Benedict-Webb-Rubin-Starling(BWRS)状态方程建立了SCO2气动热力物性快速解析模型,进行了相关推广计算,实现了可靠的叶轮气动计算应用。首先,建立了SCO2的气动热力物性快速解析模型。在关键热力区间验证了BWRS状态方程的精度以评估状态方程的适用性。构建了快速解析模型的积分路径,选取以标准状态为基准点、理想状态为中间过程的积分路径,有效避免了被积函数的不定性。在此基础上,将BWRS状态方程与热力学普遍关系结合,推导了压缩因子、内能、焓、熵、实际比热、声速及焦汤系数的快速解析形式。其次,探究了快速解析模型的精度并进行相关推广计算。通过二分法将比容显式化,提高了快速解析模型的易用性。在关键热力区间,将解析模型计算结果与参考数据进行比较分析,发现在超临界区域相对误差较低。将快速解析模型与实际等熵指数理论结合,推导了SCO2实际等熵指数计算模型。为了适应更广泛的气动热力计算要求,扩展了快速解析模型的独立变量。最后,将快速解析模型及推广计算应用于SCO2离心叶轮的气动计算。为了脱离繁琐的物性数据调用或查询过程,将快速解析模型及推广计算与叶轮气动计算理论结合。以某型小流量系数SCO2离心叶轮为研究对象,将气动计算结果与数值模拟结果对比,验证了叶轮气动计算应用的可靠性。
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