蔡報(bào)煒 王建軍 孫立成 張娜娜 閻昌琪

（哈爾濱工程大學(xué) 核安全與仿真技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室 哈爾濱 150001）

熔鹽堆以熔融態(tài)氟化物作為燃料，在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生的氙和氪微溶于燃料鹽中并隨之在反應(yīng)堆中循環(huán)。由于氙和氪是反應(yīng)堆運(yùn)行中最重要的中子毒物，會(huì)對(duì)反應(yīng)堆運(yùn)行過(guò)程中反應(yīng)性的變化產(chǎn)生重要影響。所以，熔鹽堆必須能夠?qū)Ξa(chǎn)生的裂變氣體進(jìn)行在線去除，以保證熱中子的利用率和反應(yīng)堆反應(yīng)性的相對(duì)穩(wěn)定[1]。

美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Oak Ridge National Laboratory, ORNL)在其設(shè)計(jì)的熔鹽堆實(shí)驗(yàn)裝置(Molten Salt Reactor Experiment, MSRE)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，為其后來(lái)的熔鹽快堆(Molten Salt Breeder Reactor, MSBR)概念設(shè)計(jì)設(shè)置了專門的一套除氣系統(tǒng)。系統(tǒng)中的氣泡分離器便采用了旋葉式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，特別之處在于其在分離器進(jìn)出口處分別設(shè)置了旋轉(zhuǎn)葉片和恢復(fù)葉片。通過(guò)水-空氣回路的模擬測(cè)試，驗(yàn)證了這種設(shè)計(jì)的優(yōu)越性。ORNL設(shè)計(jì)的氣泡分離器實(shí)物及在水回路中的工作狀態(tài)如圖1所示。由圖1，在分離器中心有一條穩(wěn)定的氣芯，并且由于旋轉(zhuǎn)葉片和恢復(fù)葉片的輪轂為中空設(shè)計(jì)，分別連接到了兩個(gè)出氣接口上。因此，氣芯中的氣體就可以連續(xù)地被排除，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于液體中氣體的連續(xù)分離。

傳統(tǒng)的旋風(fēng)分離器[2?3]流動(dòng)阻力較大，不適用于分離粘度較高的熔鹽。而ORNL提出的分離器設(shè)計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、分離效率高等諸多優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)其工作原理和內(nèi)部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的分析沒(méi)有公開(kāi)資料發(fā)表。因此，本文研究目的是在前期實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，利用數(shù)值解析方法，對(duì)于旋葉式氣泡分離器內(nèi)部的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)與壓力分布進(jìn)行研究，分析分離器內(nèi)的流動(dòng)特性和氣芯形成原理，為我國(guó)熔鹽堆研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)參考。

圖1 旋葉式氣泡分離器(ORNL)[4]Fig.1 Vane-type bubble separator (ORNL)[4].

1 幾何模型與邊界條件

為了與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，本文按照實(shí)驗(yàn)中旋葉式氣泡分離器的結(jié)構(gòu)，用三維建模軟件UG建立其幾何模型(圖2)。攪渾葉片與恢復(fù)葉片固定于靜止的輪轂上，葉片自身并不旋轉(zhuǎn)，而是依靠其扭曲的壁面對(duì)流體產(chǎn)生導(dǎo)流作用。水進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段后，首先流經(jīng)攪渾葉片產(chǎn)生旋流，在旋流和徑向壓差作用下小氣泡向中心聚集，并從出口(2)和出口(3)流出實(shí)驗(yàn)體，其余水則在流出實(shí)驗(yàn)體之前，先流經(jīng)恢復(fù)葉片，以消除大部分的旋流，恢復(fù)部分靜壓，達(dá)到減少壓力損失的效果。

實(shí)驗(yàn)體外部為直徑50 mm的圓形通道，輪轂直徑20 mm，攪渾葉片長(zhǎng)55 mm，入口與軸向平行，出口與軸向夾35°；恢復(fù)葉片長(zhǎng)40 mm，入口與軸向夾 35°，出口與軸向平行。由于實(shí)驗(yàn)中所使用的葉片厚度很小，葉片厚度對(duì)流場(chǎng)的影響也不大，為了保證網(wǎng)格質(zhì)量，建模時(shí)不考慮葉片厚度，將其作為無(wú)厚度的面處理。

圖2 旋葉式氣泡分離器幾何模型Fig.2 Geometry the of vane-type bubble separator.

分離器的進(jìn)出口邊界設(shè)置為速度入口和壓力出口邊界條件，入口流速參照實(shí)驗(yàn)工況介于0.5?3.5m·s?1，出口(2)與出口(3)的壓力為大氣壓，而出口(1)的壓力略高于大氣壓以防止另兩個(gè)出口發(fā)生回流現(xiàn)象。

2 網(wǎng)格劃分與無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

本文利用ICEM CFD對(duì)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分的網(wǎng)格全部為六面體網(wǎng)格(圖3)，其中網(wǎng)格的主要質(zhì)量指標(biāo)如表1所示。網(wǎng)格劃分的密度對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果的影響很大，一般情況下，只有當(dāng)網(wǎng)格密度增加到一定程度后，使得計(jì)算結(jié)果隨網(wǎng)格數(shù)的增加變化很小時(shí)，數(shù)值模擬計(jì)算的結(jié)果才有意義[5?6]。

圖3 旋葉式氣泡分離器網(wǎng)格劃分圖(a) 葉輪區(qū)網(wǎng)格，(b) 截面網(wǎng)格Fig.3 Mesh of the vane-type bubble separator.(a) Grids within the impeller zone,(b) Mesh on the cross section

表1 網(wǎng)格質(zhì)量分布Table 1 Distribution of the mesh quality.

計(jì)算域中不同位置處的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)不同，對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響程度也不同。根據(jù)初步計(jì)算結(jié)果可知，在總壓降中局部壓降占主要部分。其中，葉片對(duì)流體有導(dǎo)流作用，使其流動(dòng)方向連續(xù)改變；輪轂迎流端對(duì)流體有阻擋和截流作用；輪轂背流端使流體形成繞流。以上局部壓降較大的位置對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響很大，計(jì)算結(jié)果對(duì)于這些位置處的網(wǎng)格密度也更敏感，因而作網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證時(shí)，這些位置的網(wǎng)格加密幅度也較其他位置處更大。

圖4 不同密度網(wǎng)格所得壓力(a)及流速(b)分布對(duì)比Fig.4 Comparison of the pressure (a) and velocity (b) distribution from different grid densities.

根據(jù)網(wǎng)格敏感性分析所得結(jié)果加密劃分的網(wǎng)格，得到三套不同尺度的網(wǎng)格<1>、<2>、<3>，網(wǎng)格數(shù)分別為 297129、709538、1508272。計(jì)算得到的壓力與速度沿分離器軸向的分布如圖4所示?？梢钥闯?，<1>網(wǎng)格所得的計(jì)算結(jié)果與<2>的結(jié)果相差較大，壓力與速度的平均相對(duì)偏差分別為 6.14%和5.45%。而<2>與<3>的計(jì)算結(jié)果相差較小，壓力與速度的相對(duì)偏差僅為0.92%和0.69%。<2>與<3>的計(jì)算結(jié)果相差已小于1%，在<2>的基礎(chǔ)上繼續(xù)加密網(wǎng)格對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響不大。因此，使用<2>網(wǎng)格可將網(wǎng)格密度帶來(lái)的誤差控制在合理的范圍內(nèi)。

3 模擬假設(shè)與湍流模型

為探究旋葉式分離器的工作原理，且考慮到直接利用熔鹽作為工質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的困難，實(shí)驗(yàn)以水為工質(zhì)采用可視化設(shè)計(jì)以得到氣泡在分離器中聚合形成氣芯的過(guò)程。為了與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有可比性，本文在數(shù)值模擬時(shí)也以水為工質(zhì)進(jìn)行計(jì)算。另外，實(shí)際熔鹽堆中在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的裂變氣體很少，平均體積含氣率小于0.3%，且氣泡直徑小于0.5 mm，氣相不會(huì)對(duì)整個(gè)流場(chǎng)有明顯影響，氣泡的運(yùn)動(dòng)方向基本取決于其周圍流體的流動(dòng)情況，因此數(shù)值模擬時(shí)按單相液體計(jì)算，通過(guò)得到分離器內(nèi)的流場(chǎng)分布分析氣泡的受力及運(yùn)動(dòng)情況，為兩相及熔鹽的模擬做鋪墊。由于分離段內(nèi)渦旋的存在，計(jì)算域中瞬態(tài)效應(yīng)明顯，因而數(shù)值模擬采用瞬態(tài)計(jì)算，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為0.5 ms，計(jì)算中各離散項(xiàng)均采用二階離散格式。

初步計(jì)算表明，旋葉式氣泡分離器內(nèi)流場(chǎng)中存在漩渦和繞流。Fluent軟件提供的湍流模型中，適合計(jì)算強(qiáng)流線彎曲和旋轉(zhuǎn)等復(fù)雜流動(dòng)的模型有Realizablek-ε、RNGk-ε、k-ωSST 和 Reynolds Stress Model。RNGk-ε模型是標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的修正，主要修正了ε方程，以提高強(qiáng)應(yīng)變流動(dòng)的模擬精度，能模擬二次流和旋轉(zhuǎn)流等復(fù)雜流動(dòng)，在流線彎曲和旋轉(zhuǎn)流動(dòng)模擬方面比標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型有更好的表現(xiàn)；Reynolds Stress Model放棄了等方性邊界速度假設(shè)，在三維流動(dòng)中加入了7個(gè)方程，比k-ε和k-ω方程模型更加嚴(yán)格地考慮了流線型彎曲、漩渦、旋轉(zhuǎn)和張力快速變化，適合模擬離心式分離器中的強(qiáng)旋流運(yùn)動(dòng)。

本文分別采用以上各模型對(duì)分離器內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算。流體經(jīng)過(guò)攪渾葉片后，采用以上幾種模型計(jì)算得出的截面上流速和壓力的徑向分布如圖5所示。由圖5，兩方程模型的計(jì)算結(jié)果大致相同，但與雷諾應(yīng)力模型的計(jì)算結(jié)果差別很大。其中，兩方程模型模擬出的速度值，沿徑向均勻升高，且其速度梯度基本不變；而雷諾應(yīng)力模型模擬出的速度則沿徑向先升高后下降，且中心區(qū)域附近的梯度值最大；各模型模擬出的壓力值均沿徑向升高，和速度梯度變化規(guī)律相似，兩方程模型得到的壓力梯度沿徑向基本不變，而雷諾應(yīng)力模型計(jì)算出的梯度值在靠近中心的部分明顯高于邊緣區(qū)域。雷諾應(yīng)力模型得到的截面流場(chǎng)分布沿徑向明顯分為兩個(gè)區(qū)域，符合蘭肯渦模型且更接近實(shí)際的平面渦流分布[7]，本文采用雷諾應(yīng)力模型對(duì)旋葉式分離器內(nèi)流場(chǎng)作進(jìn)一步分析。

為進(jìn)一步驗(yàn)證使用雷諾應(yīng)力模型對(duì)旋葉式氣泡分離器進(jìn)行模擬的準(zhǔn)確性，本文分別計(jì)算了不同雷諾數(shù)工況下實(shí)驗(yàn)段的壓降，并與文獻(xiàn)[8]中實(shí)驗(yàn)研究所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果如圖6所示。計(jì)算結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)段壓降的計(jì)算值趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)值符合良好，其數(shù)值略低于實(shí)驗(yàn)值，平均相對(duì)誤差16.9%，且各計(jì)算工況條件下的相對(duì)誤差變化不大，其原因主要可能來(lái)自扭曲葉片的加工誤差、葉片厚度等。

圖5 基于不同湍流模型的截面速度(a)和壓力(b)分布對(duì)比Fig.5 Comparison of the cross-sectional velocity (a) and pressure (b) distribution between different turbulent models.

圖6 CFD計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.6 Comparison between the CFD results and the experimental data.

4 模擬結(jié)果分析

圖7(a)、(b)為流體在經(jīng)過(guò)攪渾葉片區(qū)域不同位置時(shí)橫截面上流場(chǎng)的分布。流體在進(jìn)入攪渾葉片后，葉片的迎流側(cè)對(duì)流體有導(dǎo)流作用，對(duì)流體產(chǎn)生切向作用力，使其改變?cè)瓉?lái)的運(yùn)動(dòng)方向，產(chǎn)生切向分速度，從而流體在沿軸向向前流動(dòng)的同時(shí)，隨葉片順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。由于流體進(jìn)入攪渾葉片時(shí)，因沖擊葉片而受到較大的反作用力，因此在每個(gè)葉片的迎流側(cè)附近會(huì)形成一個(gè)高壓區(qū)域，而在每個(gè)葉片背流側(cè)附近，由于繞流作用會(huì)形成低壓區(qū)。速度場(chǎng)則是在每個(gè)葉片迎流側(cè)附近為低速區(qū)，在葉片背流側(cè)為高速區(qū)，這一點(diǎn)也符合流體力學(xué)中的伯努利定律。圖7(c)為攪渾葉片出口處橫截面上的流場(chǎng)分布，由于攪渾葉片外側(cè)的彎曲幅度比內(nèi)側(cè)大，因而在攪渾葉片區(qū)域中，產(chǎn)生的高壓區(qū)逐漸向外側(cè)移動(dòng)，高流速區(qū)則逐漸向內(nèi)側(cè)輪轂移動(dòng)。在流出攪渾葉片區(qū)域后形成圖7(d)所示的流場(chǎng)，在原輪轂外側(cè)對(duì)應(yīng)的環(huán)形區(qū)域延續(xù)了在攪渾葉片中形成的高流速區(qū)，而在中心區(qū)域流速很低，壓力分布也延續(xù)了在攪渾葉片中形成的中心低周邊高的分布，且越靠近中心區(qū)域壓力梯度越大。

圖8為流場(chǎng)沿軸向的分布，流體流過(guò)輪轂節(jié)流區(qū)后，在出口(2)處形成繞流，使得中心區(qū)域的流速和壓力極低，這也強(qiáng)化了之前在攪渾葉片中形成的內(nèi)側(cè)低壓低速的流場(chǎng)分布，使得分離段內(nèi)存在很高的徑向壓力梯度，且流體在如圖8(b)所示的旋轉(zhuǎn)作用下，流場(chǎng)在整個(gè)分離段內(nèi)延續(xù)這一分布。

圖7 旋葉式氣泡分離器截面流場(chǎng)分布Fig.7 Cross-sectional distribution of the flow field in the vane-type bubble separator.

圖8 旋葉式氣泡分離器軸向流場(chǎng)分布Fig.8 Flow field distribution along the axis of the vane-type bubble separator.

5 結(jié)語(yǔ)

本文利用Fluent軟件，對(duì)熔鹽堆脫氣系統(tǒng)旋葉式分離器內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值分析，得出以下結(jié)論：

(1) 流體流過(guò)旋葉式氣泡分離器受到的沿程阻力很小，流動(dòng)阻力主要來(lái)自葉輪區(qū)的局部阻力；

(2) 雷諾應(yīng)力模型比兩方程模型更適合模擬旋葉式分離器內(nèi)的速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)分布；

(3) 流體流過(guò)攪渾葉片后形成的徑向壓力分布沿指向圓心方向不斷降低，且越靠近中心壓力梯度越大。正是由于分離器中心附近較大的壓力梯度，導(dǎo)致向分離器中心迅速移動(dòng)并聚合，形成穩(wěn)定連續(xù)較細(xì)的氣芯。

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