基于分子动力学的燃气机进气系统结冰特性研究.pdfVIP

摘要

摘要

燃气轮机进气通道结冰现象对实际生产应用有重要影响，进气系统如果发生

结冰，可能导致进气结构发生形变，不稳定的气流还会引发压气机喘振，冰粒脱

离壁面进入压气机也可能导致机械损伤，最终可能导致燃气轮机性能降低甚至引

发安全事故。

进气通道结冰的本质是由于液滴撞击冷壁面后温度下降至冰点而导致的结冰

过程。本文从微观尺度出发，探究并分析了燃气轮机进气系统的结冰机理，并通

过分子动力学模拟等理论手段，对水滴在撞击冷壁面后的结冰过程进行了深入剖

析，同时对影响因素展开了更为详细的讨论。本文研究内容主要包括：

(1)通过模拟不同温度冷壁面上液滴撞击，计算发现壁面温度对液滴结冰过

程有着重要影响，即较大的温度梯度能够促进热量传递，使得液滴更快达到结冰

温度阈值。

(2)通过调整固液/液液势能参数比，模拟不同亲疏水性壁面上的液滴结冰现

象。模拟结果显示，较高比值即表示更强的亲水性壁面，其温度传递速率更快且

液滴在表面铺展直径更大。

(3)利用非平衡动力学方法模拟计算固液界面热阻，模拟发现液体吸附层是

影响热量传递的主要原因。设计不同方案考察固液界面热阻的影响因素，考虑热

流密度、体系平衡温度和壁面亲疏水性质对界面热阻的影响。计算发现，热流密

度对界面热阻近似无影响；而体系平衡温度对界面热阻有影响，随着温度升高界

面热阻有所降低；亲疏水性对固液界面热阻影响较大，在一定范围内界面热阻随

着亲水性的增强而降低。

(4)通过计算原子振动态密度，发现液体吸附层的形成抑制了固体壁面原子

的振动。随着壁面亲水性的提升，液态吸附层原子在中低频振动区域受到抑制，

其振动峰值向高频域转移，这一变化减少了吸附层原子与壁面原子振动态的差异，

进而增强了两者之间的导热性能。

本研究探讨了液滴在冷壁面上的传热特性以及结冰行为，为深入理解固体表

面液滴结冰机制并推动防冻技术的研发提供了重要参考。

关键词：燃气轮机，水滴结冰，分子动力学，LAMMPS，界面热阻，亲疏水

性，振动态密度

I

盐城工学院硕士学位论文

Abstract

Icinginthegasturbineintakechannelhasanimportantimpactontheactual

productionandapplication.Icingintheintakesystemmayleadtodeformationofthe

intakestructure,unstableairflowmaycausecompressorsurge,andiceparticlesmay

breakoffthewallandenterthecompressor,whichmayalsoleadtomechanicaldamage,

whichmayeventuallyreducetheperformanceofthegasturbineandevenleadtosafety

accidents.

Theicingphenomenonintheairintakechannelisprimarilycausedbydroplets

hittingthecoldwallandfreezingduetoadropintemperature.Thispaperaimsto

exploreandanalyzethemicroscopicmechanismoficingingasturbineintakesystems,

employingtheoreticalmethodssuchasmoleculardynamicssimulationtodeeply

investigatetheprocessofwaterdropletsfreezinguponimpactwi