汽水分離器用波紋板氣動與分離性能研究

朱幼君,　楊　曉

(上海發電設備成套設計研究院， 上海 200240)

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汽水分離器用波紋板氣動與分離性能研究

朱幼君,楊曉

(上海發電設備成套設計研究院， 上海 200240)

摘要：針對核電機組中的汽水分離器用波紋板，采用計算流體力學方法對不同結構波紋板模型進行了數值模擬，分析了波紋板內流場的特點，并與試驗結果進行了對比.結果表明：數值計算結果與試驗結果基本吻合，數值計算可以較準確地模擬波紋板中的流場；流動分離是造成波紋板壓力損失的主要因素.

關鍵詞：汽水分離器; 波紋板; 壓降; 數值計算

汽水分離器是核電機組中的關鍵設備，其功能是將過飽和蒸汽中的液滴分離出來，降低濕度,以保證核動力裝置安全經濟運行[1].一方面蒸汽發生器循環倍率較大，另一方面飽和蒸汽在汽輪機高壓缸膨脹做功后，出口含水量也會明顯增加.如果作為工質的飽和蒸汽攜帶有較多的水分，會對透平葉片及蒸汽通道造成嚴重的侵蝕現象，導致運行效率顯著降低，并影響汽輪機工作的可靠性.汽水分離器能有效地去除蒸汽中的水分，大大降低蒸汽濕度，從而達到下一級做功要求,因此高效率的汽水分離器是核動力裝置安全運行的重要保證[2].除在核能領域應用外，汽水分離技術也廣泛地應用于環保、石油化工、電力和動力等其他國民經濟領域，包括海水淡化用干燥器、水處理、空氣過濾、油煙分離、石油開采蒸汽注入、石油的輸送以及火電站煙氣脫硫等領域.

多年來，國內外學者對波紋板汽水分離器的性能和原理進行了大量研究.總體來說，研究以試驗為主，通過選型試驗比較不同結構分離器的分離效率[3-4].但目前對波紋板汽水分離器分離規律的認識還不充分，未能得出有較好適用性的波紋板汽水分離器分離效率的計算公式.此外，也有部分學者對波紋板汽水分離器內的汽水分離過程進行了數值模擬[5]，但由于涉及復雜的兩相流方程，因而這類問題的理論分析和數值計算面臨很大的挑戰，所建立的數值模型及其計算結果也需要高精度的試驗數據進行驗證.筆者借助Fluent軟件平臺，以波紋板汽水分離器模型為研究對象，采用數值計算方法對波紋板汽水分離器內部流場進行研究.將激光粒子圖像測速技術(PIV)應用于水洞試驗臺架，對窄流道、單通道的波紋板結構流動形態進行了測量并驗證了數值計算方法的正確性,同時分析了提高波紋板汽水分離器分離效率的方法和途徑，為了解和掌握波紋板汽水分離器氣體流動的規律和在工程應用中設計出高分離效率、低流動損失的波紋板汽水分離器提供參考.

1建模與數值計算

1.1幾何結構及網格化分

波紋板汽水分離器由一系列加工成波紋狀的薄板組成，其工作原理為：汽流攜帶著微小液滴在波紋板構成的通道內做曲線運動，由于蒸汽流動方向的不斷變化和液滴離心力的作用，液滴不能隨汽流偏轉而撞擊波紋板壁面，其中一部分液滴黏附在波紋板壁面上形成水膜，水膜靠自身的重力不斷向下流動，并匯聚成較大的水流，離開波紋板.

圖1　波紋板的汽水分離工作原理

圖2所示為波紋板的通道模型.根據通道和疏水鉤形狀分為單鉤、雙鉤和大V 3種結構.在對波紋板通道進行計算時，由于重力和浮力垂直于流動方向，不考慮重力和浮力，將問題簡化為二維.

采用ICEM-CFD的結構化網格劃分方法，圖3為流動區域網格分塊.ICEM采用與實體分離的塊網格劃分策略，流動區域由多個可變形的矩形組成，先對矩形進行結構化網格劃分，然后將網格映射到實體上，可以針對復雜模型得到高質量的結構化網格，且網格的參數易于控制.計算中，依照板形的不同，對流動區域采用不同的分塊策略.雙鉤結構的分塊如圖3所示.為了提高局部圓角附近的網格質量，對疏水鉤形成的圓角區域采用O-Grid劃分策略.

(a) 單鉤

(b) 雙鉤

(c) 大V

圖3　流動區域網格分塊

為了確定網格數對計算的影響，分別用網格最大尺寸為3 mm、2 mm和1 mm的3套網格進行了無關性檢驗.最后選定的單鉤計算網格數為537 062，網格的最小夾角為18°.對壁面附近網格適當加密，邊界網格第一層節點距壁面0.2 mm，每層網格節點距離比為1.05.局部網格劃分見圖4.

1.2計算方法和邊界條件

流動為定常流動，氣相不可壓縮，控制方程采用雷諾平均N-S方程組.

(1)

(a) 疏水鉤

(b) 擋水板

分離效率計算選擇離散相模型，氣相為連續相，液滴為離散相，離散相模型忽略顆粒對連續相的影響.筆者計算含液滴氣流通過波紋板汽水分離器時液滴的分離效率，波紋板汽水分離器入口蒸汽濕度不超過25%，水分的體積分數小于1%，因此適用離散相模型.離散相模型的求解思路為：先計算出連續相的主流場，然后再將離散相添加到主流場中，模擬離散相的運動.因此，計算中需要首先針對空氣流場進行數值模擬.由于氣流速度較大和疏水鉤流動的擾動作用，波紋板通道內的流動為湍流流動.

湍流模型選擇Realizablek-ε模型.標準k-ε模型適用于大多數湍流計算，但汽水分離器中的流場存在很強的流線彎曲，標準k-ε模型計算精度大大下降.RNG模型則通過修正將k-ε模型擴展到低雷諾數湍流流動中，故本計算選用Realizablek-ε模型.

壁面處理方法為增強型壁面函數.壁面區域通常有2種處理方法：一種為壁面函數法，即網格劃分避開黏性底層，將近壁面第一個節點布置在對數律成立的區域，用一組半經驗公式將壁面上的物理量與湍流核心區的相應物理量聯系起來，這種方法計算效率很高，有很強的工程實用性，但當流動分離過大時，計算精度不夠理想；另一種方法是在壁面區域劃分細密網格.本計算中出現流動分離現象的區域較多，為了研究氣場對壁面液膜的影響以及近壁面區域液滴的行為，需要求解近壁面流場，因此采用增強型壁面函數，在壁面附近劃分10層細密網格，并根據Y+值進行自適應加密，加密標準為保證壁面區域Y+<4.

采用壓力基求解器、耦合式算法.梯度插值采用Least Squares Cell Based格式，壓力插值采用Presto!格式，動量、湍動能及湍流耗散率均采用Quick格式.壓力和速度的耦合方法采用Couple方法，調節并確定Courant數和松弛因子.

進口邊界條件為給定速度的均勻來流，出口邊界條件為壓力出口，壁面為無滑移邊界.

1.3試驗驗證

為了驗證數值計算的準確性，對波紋板通道內的速度場進行了測量，并與數值計算結果進行對比.考慮到通道較窄，為增強流場測量的準確性，流場測量選取在水洞試驗臺上進行，試驗臺架如圖5所示.試驗回路由水箱、循環泵、變頻儀以及管路系統等組成.水箱處設有孔板，以削弱水泵出水的振蕩，達到初步整流的效果.流場測量采用丹麥DANTEC公司的TR-PIV進行.為提高空間分辨率，試驗中采用了1 600萬像素的CCD相機.示蹤粒子采用空心玻璃微珠，其對于本試驗示蹤性較好.

圖5　波紋板水洞試驗臺

選取與流向垂直的法向剖面線，提取剖面線上的速度分布，并與數值計算結果進行對比.圖6為波紋板V形拐角位置示意圖.圖7為試驗測量得到的速度與數值計算結果的對比.法向位置速度剖面線呈先升高再降低的趨勢，計算值與試驗值比較接近，可以認為數值計算能夠比較準確地描述流場的流動情況.

圖6　波紋板汽水分離器速度測量位置示意圖

圖7　試驗測量得到的速度與數值計算結果的對比

2計算結果的討論

2.1氣動性能模擬

對3種結構的波紋板分別進行數值計算，圖8所示為3種結構波紋板的速度云圖.從圖8可以看出，3種結構波紋板均在疏水鉤靠近流道中心處出現了局部高速流，最大速度均出現在分離器的中段.在疏水鉤彎角后方出現了明顯的邊界層分離現象，加劇了湍流的同時也增大了阻力.單鉤的疏水鉤前方出現了返流，雙鉤的疏水鉤入口出現了明顯的漩渦.大V結構介于單鉤和雙鉤之間，其流場既類似雙鉤流場在溝槽內形成明顯漩渦，又類似于單鉤在疏水鉤后方形成嚴重邊界層分離.大V結構溝槽開口范圍大，且正對來流方向，邊界層分離嚴重，在一定程度上增大了湍流度，也增大了單個溝槽前后的壓降.但對比流動矢量圖(見圖9)可以發現，大V和雙鉤的流場中主流的流動方向一直保持著相對一致性，可以形成較穩定的流動，而單鉤的主流流場中存在大量不同流向流體間的摻混和交匯，宏觀的紊動非常劇烈，幾乎沒有形成穩定的流場結構.

(a) 大V

(b) 單鉤

(c) 雙鉤

(a) 大V

(b) 單鉤

(c) 雙鉤

壓力損失是衡量波紋板氣動性能的主要參數.圖10所示為3種結構波紋板的壓力云圖.從圖10可以看出，雙鉤結構壓降最小，大V結構和單鉤結構壓降大，但由于大V結構通道的反轉次數小于雙鉤和單鉤結構，其總的壓降反而小于單鉤結構，單鉤結構的壓降最大.

2.2汽液分離模擬

從2個方面來討論不同結構對分離效率的影響：一是不考慮湍流效應；二是考慮湍流效應.液滴直徑變化范圍設定為5～10 μm.

(a) 大V

(b) 單鉤

(c) 雙鉤

首先不考慮湍流效應，在入口處平均分布60個等直徑的液滴并計算其分離效率.然后模擬考慮湍流效應下的分離效率，在入口中心處放置一粒液滴，模擬其通過流場100次時的情形，液滴采用隨機游走模擬，計算隨機漩渦生存時間.以8 μm液滴為例，圖11(a)和圖11(b)分別給出了雙鉤8 μm液滴在考慮和不考慮湍流效應時的運動軌跡圖.從圖11可以看出，考慮湍流效應時，由于漩渦的隨機運動，較小顆粒液滴的運動軌跡會大大發散，湍流效應對小顆粒液滴分離效率的影響較大.

圖12給出了不考慮湍流效應時不同結構波紋板分離效率的對比.不考慮湍流效應(即認為流場中沒有脈動)時，液滴顆粒能否與壁面發生碰撞完全取決于液滴顆粒靠近壁面邊界層時的法向速度與阻力的大小，而與湍流程度無關.此時，液滴靠近壁面的阻力主要是壁面法向方向上液滴與空氣間相對速度差引起的黏性阻力，其與液滴速度和液滴直徑相關.當液滴直徑一定時，液滴具有的沿壁面法向方向的速度越大，越容易靠近壁面而被捕獲.即使得液滴具有更大的法向速度的分離器結構能夠取得更好的分離效果.

(a) 考慮湍流效應

(b) 不考慮湍流效應

圖12　不考慮湍流效應時不同結構波紋板分離效率的對比

Fig.12Comparison of separation efficiency among three differently structured corrugated plates (without consideration of turbulent effect)

液滴沿壁面法向方向的速度大小完全受流場影響.圖13給出了3種結構波紋板流場中壓力梯度大小的分布.從圖13可以看出，單鉤和雙鉤結構在流道中央地帶形成了連續高壓力梯度區，且方向周期變換，這意味著流場中液滴顆粒會交替受到相反方向的作用力，從而難以靠向特定的一側壁面.對于單鉤結構來說，壓力梯度方向轉換位置在溝槽后方，不影響液滴進入溝槽內，而對于雙鉤結構來說，壓力梯度方向變化處剛好位于溝槽入口處，影響顆粒進入溝槽內.大V結構與前兩者相差很大，其高壓力梯度區域是斷續的，在2個溝槽之間有一長段壓力梯度較小的區域，有利于增大液滴沿壁面法向方向的分速度，且其高壓力梯度區位于流道狹窄區，一半方向指向壁面，一半指向溝槽入口，有利于顆粒的捕獲.因此，不考慮湍流效應時，大V結構的分離效率高于其他2種結構.

(a) 大V

(b) 單鉤

(c) 雙鉤

圖14給出了考慮湍流效應時不同結構波紋板分離效率的對比.由圖14可知,考慮湍流效應且當液滴粒徑大于5 μm時，大V結構都有比較好的分離效果，且粒徑越小，其優勢越明顯.單鉤結構的分離效果優于雙鉤結構.

圖14　考慮湍流效應時不同結構波紋板分離效率的對比

Fig.14Comparison of separation efficiency among three differently structured corrugated plates (with consideration of turbulent effect)

考慮湍流效應時，湍流效應會隨機給予液滴顆粒一定的速度，從而增大其與壁面的碰撞概率.湍流越強，對液滴的影響也會越大.圖15給出了3種結構波紋板平均湍流動能的對比.由圖15可以發現單鉤結構的湍流強度較高.對比圖14和圖15可以看出，雙鉤結構的湍流強度在整個流道長度方向上分布相對較為均勻，沒有湍流特別強的區域，而在流動垂直方向上，湍流主要集中在壁面附近，在流道中心地帶形成了低湍流區.而流道中心處的顆粒最為集中，也最難碰到壁面，由之前的分析可知，在該區域內，快速交變的壓力梯度導致液滴離開該區域較為困難，此時較低湍流水平則很難給予液滴足夠的速度使其脫離流場.對于大V結構，垂直方向上湍流強度集中在流道中心，流動方向上湍流強度區域非常集中，都集中在流道狹窄區域，這2點都有利于液滴更大概率地靠近壁面.這也是大V結構與雙鉤結構的分離效率相差懸殊的另一個原因.

(a) 大V

(b) 單鉤

(c) 雙鉤

3結論

(1) 通過試驗與數值模擬對比了波紋板分離器通道內特征平面速度的分布.試驗結果與數值計算結果基本吻合，從而驗證了數值計算的可靠性.

(2) 計算了不同結構波紋板的速度云圖和壓力云圖，比較了不同結構波紋板的壓力損失.綜合流動結構分析結果，流動分離是造成波紋板壓力損失的主要因素.

(3) 湍流效應對提高小顆粒液滴的分離效率起到了極大的作用.

(4) 波紋板結構設計應盡量避免在流道中形成連續的快速交變壓力梯度區，且盡量增大湍流度，但湍流度在流動方向上不應該是均勻的，應盡量增大流道中心區域的湍流度或者局部狹窄流道處的湍流度.

參考文獻：

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Research on Aerodynamic Performance and Separating Property of Corrugated Plates for Moisture Separators

ZHUYoujun,YANGXiao

(Shanghai Power Equipment Research Institute, Shanghai 200240, China)

Abstract：Based on the model of differently-structured corrugated plates for moisture separators of nuclear power plant, numerical simulations were carried out by computational fluid dynamics (CFD) technique, so as to analyze the flow characteristics in the moisture separator, and to compare the simulation results with experimental data. Results show that the numerical simulation agrees well with the experimental measurements, proving the numerical way to be effective in simulation of relevant flow fields in moisture separators. The flow separation is found to the main cause leading to the pressure loss.

Key words：moisture separator; corrugated plate; pressure drop; numerical calculation

收稿日期：2015-01-18

修訂日期：2015-11-22

基金項目：國家核電技術公司員工創新項目(SNP-KJ-CX-2013-11)；上海市自然科學基金資助項目(14ZR1418000)；上海市閔行區科技項目(2014MH168)

作者簡介：朱幼君(1979-)，女，湖南長沙人，高級工程師，博士，研究方向為核電設備鑒定分析和試驗研究. 電話(Tel．)：64358710-599； E-mail：zhuyoujun@speri.com.cn．

文章編號：1674-7607(2016)06-0498-07中圖分類號：TL353+.13

文獻標志碼：A學科分類號：490.50