杜利鵬，張文超，金光遠(yuǎn)

(東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

波形板汽水分離器具有分離效率高、阻力小、破膜速度高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于核動(dòng)力裝置中，并且作為汽水分離系統(tǒng)最后一級(jí)分離器，在核電站中占有重要的地位[1].目前，國內(nèi)外對(duì)波形板汽水分離器的研究主要包括試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬兩方面.實(shí)驗(yàn)研究方面，由于制造濕蒸汽需要產(chǎn)生沸騰現(xiàn)象，并且蒸汽冷凝以及液滴的行為比較難以控制，故試驗(yàn)研究主要以冷態(tài)實(shí)驗(yàn)為主，即在冷態(tài)工況下，對(duì)波紋板分離器的分離性能進(jìn)行分析.而數(shù)值模擬可以有效地模擬不同工況和不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的分離效率，并展開相關(guān)的試驗(yàn)驗(yàn)證，為波形板分離器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考[2].

大部分學(xué)者對(duì)波形板的研究集中于揭示分離性能和結(jié)構(gòu)優(yōu)化[3，4]，以二維冷態(tài)工況下計(jì)算分析為主，如Kitront[4]通過實(shí)驗(yàn)研究得出了碰撞引起的液滴破碎與聚合對(duì)液滴尺寸分布有很大影響.李雨錚等[5]用大渦模擬的方法更準(zhǔn)確的計(jì)算了分離效率，得出了更為準(zhǔn)確可信的液滴軌跡.張謹(jǐn)奕等[6]通過理論分析，建立了單個(gè)液滴在三維流場中的運(yùn)動(dòng)模型，并運(yùn)用到了波形板汽水分離器的效率分析中.Verlaan等人[7]為了分析波形板分離器的性能，運(yùn)用數(shù)值模擬方法，研究了波形板分離器內(nèi)濕蒸汽的流動(dòng)狀態(tài)，并通過大量的實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步研究不同直徑液滴的分離效率，研究中發(fā)現(xiàn)湍動(dòng)能對(duì)液滴的破碎和聚合有著很大的影響.田瑞峰[9]等采用經(jīng)典成核理論和液滴生長模型，對(duì)波紋板上濕蒸汽凝結(jié)過程進(jìn)行了描述，采用CFX軟件對(duì)水滴凝結(jié)過程進(jìn)行了模擬，并對(duì)濕蒸汽凝結(jié)特性進(jìn)行了分析，結(jié)果表明成核率隨時(shí)間逐漸增大，與濕蒸汽溫度呈正相關(guān).該課題組通過數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究兩種方法的對(duì)比研究，對(duì)波形板分離效率的影響因素進(jìn)行研究[10-11].在數(shù)值模擬中，使用了渦量—流函數(shù)法模擬；在實(shí)驗(yàn)中利用高速攝影的方法.通過兩種方法對(duì)比的形式，得出了液膜厚度對(duì)二次攜帶發(fā)生的臨界流速的影響，并通過高速攝像技術(shù)對(duì)波形板上的液膜破裂進(jìn)行觀察和分析.結(jié)果表明，液膜的厚度越大，其對(duì)應(yīng)的氣流臨界速度越小.

本文通過研究帶鉤波形板內(nèi)蒸汽流動(dòng)和液滴分離特性，確定疏水鉤對(duì)分離器性能的影響規(guī)律，從而為帶鉤波形板的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的參考依據(jù).

1 物理模型及控制方程

濕蒸汽在波形板內(nèi)流動(dòng)，液滴撞擊到板面上形成液膜，從而達(dá)到分離的目的.濕蒸汽中液滴直徑較小，以離散相的形式分散在汽相中，故采用DPM兩相流模型進(jìn)行模擬，離散相運(yùn)動(dòng)控制方程為

(1)

(2)

(3)

公式中：t為時(shí)間，s；FD液滴所受剪切力，N；Fx，慣性力，N；u，氣相流速，m/s；ud，液滴流速，m/s；gx、ρd、ρ為液滴和氣相密度，kg/m3；μ為氣相動(dòng)力粘度，Pa·s；Re為相對(duì)雷諾數(shù)；CD為剪切力系數(shù)；a1、a2、a3為常數(shù).

液滴撞擊到壁面形成液膜，液膜形成采用壁面液膜模型(Wall Film Model)，具體控制方程如下：

液膜質(zhì)量方程：

(4)

液膜動(dòng)量方程：

(5)

ms=mp，

(6)

(7)

氣相連續(xù)方程和動(dòng)量方程見參考文獻(xiàn)[12].

2 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證及邊界條件

波形板汽水分離器結(jié)構(gòu)比較簡單，故采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并對(duì)疏水鉤位置和近壁區(qū)域進(jìn)行了加密處理，如圖1所示.為選取合適的網(wǎng)格，分別對(duì)80萬、100萬、150萬、170萬、200萬進(jìn)行了模擬計(jì)算，并取同一截面位置處的流速進(jìn)行比較，如圖2所示.波形板內(nèi)部流動(dòng)假設(shè)為定常不可壓縮恒溫流動(dòng).湍流模型采用Realizable k-ε模型，近壁區(qū)域采用壁面函數(shù)法，進(jìn)口和出口分布為流速和壓力邊界，波形板底部和頂部采用周期性邊界，離散邊界條件為壁面液膜模型，采用二階迎風(fēng)格式，離散化方法選用SIMPLE方法.

圖1 波形板流道入口部分截面網(wǎng)格圖2 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

從圖2中可以看出，相同條件下，X=80 mm處截面的流體平均速度在超過150萬之后，計(jì)算結(jié)果相差不大，考慮到計(jì)算能力等因素，故在研究中選取網(wǎng)格數(shù)目為170萬.

3 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文所用模型的合理性，將模擬結(jié)果與Akio Miyara[13]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，比較結(jié)果如圖3所示.圖3a為模擬結(jié)果中液膜厚度沿蒸汽流動(dòng)方向變化曲線，圖3b為實(shí)驗(yàn)觀察到的波形變化.從圖3a中可以看出，在垂直高度0.06 m～0.07 m位置處的液膜厚度變化趨勢(shì)與圖3b區(qū)域II中微小波狀曲線變化趨勢(shì)相同，在高度為0.03 m～0.05 m位置處的液膜厚度變化趨勢(shì)與區(qū)域III中的弓形波狀變化趨勢(shì)相同，而在0.02 m高度的液膜厚度變化曲線與區(qū)域IV獨(dú)立波形相似.從兩圖的對(duì)比可以看出數(shù)值模擬結(jié)果與文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合，從而說明本文所用模型的合理性.

4 疏水鉤對(duì)汽水分離器性能的影響

4.1 疏水鉤對(duì)蒸汽流動(dòng)的影響

波形板Z方向上某一截面的速度流線圖及某位置的局部放大圖如圖4所示，從圖4中可以看出，氣流在經(jīng)過波形板的雙鉤槽時(shí)，會(huì)在雙鉤槽內(nèi)部空間中形成漩渦.由于離心力的作用，處于漩渦中的液滴會(huì)從氣流中分離出來，撞擊在壁面上從而形成一層較薄的液膜.最后液膜順著波形板壁流下，達(dá)到液滴分離并收集的目的.在波形板汽水分離器末級(jí)最后一個(gè)疏水鉤的背風(fēng)面存在回流，回流的存在進(jìn)一步降低了出口氣流的液滴攜帶量.

入口流速不同時(shí)Z=0.04 m截面的速度云圖，如圖5所示.通過觀察云圖分析可知，當(dāng)入口速度從1.1 m/s逐漸增大到6.6 m/s時(shí)，波形板流體通道內(nèi)的最大速度也會(huì)隨之增大，并且最大流速出現(xiàn)的位置一般在波形板的疏水鉤的折彎處.這主要是由于疏水鉤的存在，流道截面突然變小，增加了流動(dòng)阻力，氣體進(jìn)入波形板曲折通道時(shí)流速加大.氣體流進(jìn)雙鉤區(qū)域后會(huì)形成漩渦，使流場產(chǎn)生了強(qiáng)烈的擾動(dòng)，并且，在雙鉤的腔室內(nèi)，流速都很低，這樣被分離出的液滴就很難被氣流帶回到主氣流中，有效的防止了二次攜帶.

4.2 疏水鉤對(duì)液滴分離特性影響

為了分析疏水鉤結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)波形板分離器性能的影響，對(duì)帶有不同長度、寬度疏水鉤的分離器進(jìn)行模擬.

4.2.1 疏水鉤長度對(duì)波形板分離器性能的影響

本文對(duì)無疏水鉤分離器、以及長度為4.5 mm、5 mm、5.5 mm的疏水鉤進(jìn)行模擬分析結(jié)果，如圖6所示.

其中，分離效率按下式計(jì)算.

(8)

公式中：m1為波形板的液滴總質(zhì)量，kg；m2為波形板壁收集的液體總質(zhì)量，kg.

從圖6中可以看出，當(dāng)汽流速度為3.3 m/s，液滴直徑小于100 μm時(shí)，液滴的分離效率隨著疏水鉤的長度逐漸增加；當(dāng)液滴直徑大于100 μm后，疏水鉤存在能明顯提高汽水分離效率，但疏水鉤長度的大小對(duì)提高效率的影響不大.當(dāng)進(jìn)口速度為4.4 m/s、5.5 m/s和6.6 m/s時(shí)，分離效率的變化趨勢(shì)與3.3 m/s相同，與無鉤波形板相比，分離效率大大提高，當(dāng)對(duì)于直徑大于100 μm的液滴而言，疏水鉤長度對(duì)分離效率的影響較小.分析其原因，加裝疏水鉤有兩個(gè)作用，一是，疏水鉤對(duì)液滴有直接攔截作用，并且疏水鉤越長，攔截的液滴數(shù)量越多，使得分離效率提高；二是，疏水鉤長度增加，繞流增強(qiáng)，致使湍動(dòng)度逐漸增大.根據(jù)顆粒運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，離心力與速度的三次方成正比從而產(chǎn)生更大的慣性力，使得小液滴與壁面發(fā)生碰撞而被捕獲.

在增加疏水鉤的同時(shí)，會(huì)增大蒸汽流動(dòng)的局部阻力.因此，疏水鉤的尺寸要綜合考慮分離效率和阻力的影響，不同長度疏水器的壓降如圖7所示.

從圖7中可以看出，隨著疏水鉤長度的增加，通道內(nèi)的壓降變大.分析其原因，疏水鉤長度越大，波形板通道內(nèi)氣流流動(dòng)方向上的截面積就越小.由于疏水鉤阻塞了流道空間，局部阻力就越大.另外當(dāng)疏水鉤加長，氣流折彎運(yùn)動(dòng)會(huì)更劇烈，流場的擾動(dòng)會(huì)更強(qiáng)，湍動(dòng)損失就會(huì)增加.

4.3.2 疏水鉤寬度對(duì)波形板汽水分離器性能的影響

本文對(duì)帶有三種寬度尺寸疏水鉤的分離器進(jìn)行了模擬計(jì)算，結(jié)果如圖8所示.從圖8中可以看出，蒸汽流速為3.3 m/s時(shí)，直徑為100 μm以下液滴的分離效率隨著波形板寬度逐漸增大，直徑為100 μm以上的液滴，疏水鉤寬度對(duì)其分離效率影響不大.蒸汽流速為4.4 m/s時(shí)，分離效率變化規(guī)律與蒸汽流速為3.3 m/s時(shí)相似.當(dāng)蒸汽流速達(dá)到5.5 m/s后，疏水鉤寬度由5.5 mm增加到6.6 mm時(shí)，直徑為100 μm以下液滴的分離效率略有提高，直徑在100 μm以上液滴的分離效率不隨著疏水鉤寬度的增加發(fā)生變化.分析其原因，液滴直徑較小時(shí)，受到的剪切力影響較大，液滴隨蒸汽流動(dòng)，疏水鉤的存在增大了捕捉小液滴的概率，疏水鉤尺寸越大，捕捉液滴越多，液滴分離效率越大；直徑較大的液滴，其重力的作用占主導(dǎo)地位，液滴在疏水鉤附近形成漩渦滯留區(qū)域后，液滴由于重力的作用，落到水滴收集區(qū)域，故疏水鉤尺寸對(duì)液滴分離效率影響不大.

不同寬度疏水鉤波形板汽水分離器壓降如圖9所示，蒸汽流動(dòng)壓降隨著波形板的增加逐漸增大，入口流速越大增加速率越快.

5 結(jié) 論

本文對(duì)不同結(jié)構(gòu)尺寸的帶鉤波形板汽水分離器進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了疏水鉤結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)蒸汽流動(dòng)和分離器分離效率的影響，得到如下結(jié)論：

(1)疏水鉤的存在，會(huì)造成蒸汽在疏水鉤附近區(qū)域形成漩渦，液滴在漩渦內(nèi)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，碰撞壁面，從而增加分離器的液滴分離效率；

(2)增加疏水鉤長度能明顯提高直徑較小液滴的分離效率，但對(duì)大液滴不明顯，但同時(shí)會(huì)增加蒸汽在分離器內(nèi)的流動(dòng)壓降；

(3)增加疏水鉤寬度也能明顯提高直徑較小液滴的分離效率，但當(dāng)蒸汽流速較大時(shí)，疏水鉤寬度增加到一定程度后，分離效率不隨著疏水鉤寬度的繼續(xù)增加而增大.