朱雁凌，王嘯宇，游爾勝，黃 笛，趙富龍,*，譚思超，田瑞峰

(1.哈爾濱工程大學(xué) 黑龍江省核動(dòng)力裝置性能與設(shè)備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001； 2.哈爾濱工程大學(xué) 核安全與先進(jìn)核能技術(shù)工信部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001； 3.中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，四川 成都 610213)

波形板汽水分離器作為蒸汽發(fā)生器的次級(jí)汽水分離器，決定著出口蒸汽的品質(zhì)。正常運(yùn)行工況下，蒸汽發(fā)生器出口的蒸汽濕度應(yīng)小于0.1%[1]，否則會(huì)降低汽輪機(jī)組的安全性及經(jīng)濟(jì)性。除了要保證較高的分離效率，波形板汽水分離器還需具備較低的壓力損失。目前廣泛采用帶鉤波形板作為蒸汽發(fā)生器的次級(jí)汽水分離器，它是在無(wú)鉤波形板的板壁加裝疏水鉤組成，如西屋公司的單鉤與雙鉤波形板[2]。

目前，為提高波形板汽水分離器的性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量研究。王進(jìn)卿等[3]通過冷態(tài)實(shí)驗(yàn)分析了不同入口速度下雙鉤波形板的單級(jí)分離效率。田瑞峰等[4]對(duì)波形板內(nèi)的兩相流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)分離效率和壓降的影響。Narimani等[5]用數(shù)值模擬方法對(duì)無(wú)鉤波形板進(jìn)行研究，并基于響應(yīng)壁面法尋找獲得最大分離效率的最優(yōu)條件。Zamora等[6]通過Fluent軟件研究了具有相似幾何形狀的4種無(wú)鉤波形板汽水分離器的分離特性。梁奇等[7]建立了分離性能關(guān)于單鉤波形板汽水分離器結(jié)構(gòu)參數(shù)的回歸預(yù)測(cè)模型，在此基礎(chǔ)上對(duì)單鉤的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。Xu等[8]提出一種帶有多孔泡沫層的新型汽水分離器，并研究了泡沫層厚度等參數(shù)對(duì)分離性能的影響。綜合分析可知，波形板汽水分離器內(nèi)部流場(chǎng)復(fù)雜，影響其性能的因素有很多，文獻(xiàn)[4，9-14]總結(jié)了幾何參數(shù)對(duì)波形板汽水分離器性能的影響。目前對(duì)無(wú)鉤和單鉤波形板的研究較多，而關(guān)于疏水鉤對(duì)雙鉤波形板汽水分離器性能影響的研究較少，影響機(jī)理尚不清楚。

本文基于常見的雙鉤波形板，對(duì)疏水鉤結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。采用Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)比疏水鉤結(jié)構(gòu)對(duì)波形板流場(chǎng)和液滴運(yùn)動(dòng)軌跡的影響，并對(duì)壓降和液滴的運(yùn)動(dòng)分離行為進(jìn)行分析。最后綜合分離效率和壓力損失來評(píng)價(jià)不同板型的分離性能。

1 模型建立與驗(yàn)證

1.1 物理描述

本文以雙鉤波形板汽水分離器的單通道為研究對(duì)象，3類波形板的幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中：2H型的疏水鉤類型較常見，它的兩個(gè)疏水鉤高度相等；OH型和SH型是在2H型基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)的，它們的彎鉤要高于直鉤，且SH型外彎鉤較長(zhǎng)。相關(guān)的幾何參數(shù)[3]如下：板間距S為16 mm，節(jié)距λ為46 mm，曲折角度α為60°，疏水鉤高度H1、H2和H3均為7.8 mm，疏水鉤高度差δ為2 mm。在數(shù)值模擬中為使出口流動(dòng)得到充分發(fā)展，將出口適當(dāng)延長(zhǎng)[15]。

圖1 波形板的幾何結(jié)構(gòu)Fig.1 Geometry of corrugated plate

波形板中的流動(dòng)物質(zhì)采用AP1000汽水分離器的運(yùn)行壓力(即5.76 MPa)[1]下的飽和蒸汽和飽和水，蒸汽密度ρg為29.51 kg/m3，液滴密度ρd為762.43 kg/m3，蒸汽動(dòng)力黏度μg為1.84×10-5Pa·s，液滴動(dòng)力黏度μd為9.63×10-5Pa·s，進(jìn)口流速uin選為0.276、0.511、0.922、1.463和1.863 m/s[16]。

進(jìn)口液滴直徑為2～70 μm[17]，將其分為若干個(gè)尺寸組，則第i個(gè)尺寸組的數(shù)量份額φi[18]可表示為：

(1)

為簡(jiǎn)化模型，提出以下假設(shè)：1) 數(shù)值計(jì)算是在穩(wěn)態(tài)下進(jìn)行的；2) 由于波形板的高度遠(yuǎn)大于長(zhǎng)度和寬度，假定流動(dòng)是二維的，不考慮重力及浮升力；3) 將液滴看作理想的球狀慣性顆粒，并忽略液滴間的相互作用；4) 認(rèn)為液滴一旦與壁面碰撞就被排出，不會(huì)反彈到氣流中，且忽略了液膜破裂和液滴破裂等造成二次攜帶的因素。

1.2 數(shù)值模型

由雷諾數(shù)可知波形板的流場(chǎng)呈湍流狀態(tài)，湍流模型選用Realizablek-ε模型[19]，其在強(qiáng)流線彎曲、漩渦等方面表現(xiàn)出良好的適用性。由于壁面對(duì)湍流的影響很大，近壁面模型采用增強(qiáng)壁面處理[2]。波形板汽水分離器壁面設(shè)為無(wú)滑移邊界，入口及出口分別設(shè)置為速度入口邊界和壓力出口邊界。由于在波形板的折彎處以及疏水鉤處會(huì)出現(xiàn)壓力急劇變化的現(xiàn)象，采用PRESTO!壓力插值格式。為提高計(jì)算精度，動(dòng)量、湍流動(dòng)能、湍流耗散率均采用二階迎風(fēng)格式，控制方程的殘差設(shè)置為3×10-5。

忽略液滴對(duì)連續(xù)相流場(chǎng)的影響，在得到波形板的氣相流場(chǎng)后，通過離散顆粒模型(DPM)對(duì)液滴的運(yùn)動(dòng)分離行為進(jìn)行數(shù)值模擬。液滴的運(yùn)動(dòng)方程[15]在拉格朗日參照系中可描述為：

(2)

連續(xù)相的計(jì)算提供了時(shí)均速度，湍流擴(kuò)散效應(yīng)對(duì)液滴運(yùn)動(dòng)的影響通過脈動(dòng)速度來表現(xiàn)。在隨機(jī)游走(DRW)模型中，對(duì)于k-ε及其衍生模型，脈動(dòng)速度u′[2]為：

(3)

式中：ξ為服從正態(tài)分布的隨機(jī)數(shù)；k為湍流動(dòng)能。

假定液滴的入口速度等于蒸汽的入口速度，進(jìn)出口與壁面的離散相邊界條件分別設(shè)置為逃逸和捕獲。采用DRW模型模擬湍流擴(kuò)散效應(yīng)對(duì)液滴運(yùn)動(dòng)的影響，并對(duì)每顆液滴進(jìn)行50次隨機(jī)跟蹤，設(shè)置時(shí)間尺度CL為0.15。

1.3 網(wǎng)格劃分與無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

采用ANSYS Meshing對(duì)波形板二維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于波形板帶有疏水鉤，采用四邊形-三角形混合型網(wǎng)格。分離效率對(duì)網(wǎng)格密度較敏感，需施加足夠低的網(wǎng)格尺度因子來獲得理想的結(jié)果。為了分辨出黏性子層，本文利用Fluent軟件的自適應(yīng)功能，通過調(diào)整y+≈1[6]細(xì)化近壁面處的網(wǎng)格。

進(jìn)口速度為0.276 m/s時(shí)，2H型波形板的壓降和50 μm液滴的分離效率與網(wǎng)格數(shù)目(自適應(yīng)前)的關(guān)系如圖2所示。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量大于9萬(wàn)時(shí)，壓降和分離效率隨網(wǎng)格數(shù)量增加的變化量都在1%以內(nèi)，為了留有一定的裕度，選取網(wǎng)格數(shù)量約為9.5萬(wàn)。

圖2 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證Fig.2 Grid-independent verification

1.4 模型驗(yàn)證

本文采用Galletti[17]測(cè)得的單鉤波形板實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型的可靠性。給定粒徑液滴的分離效率ηi可通過下式計(jì)算：

(4)

式中：Ntrap為撞擊到壁面被分離的液滴數(shù)；Ntrack為追蹤的總液滴數(shù)。

進(jìn)口速度為3 m/s時(shí)，單鉤波形板分離效率的數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。不考慮湍流擴(kuò)散效應(yīng)會(huì)使小粒徑液滴的分離效率被低估，而考慮湍流擴(kuò)散效應(yīng)所得到的結(jié)果與文獻(xiàn)[17]中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較符合，經(jīng)計(jì)算最大相對(duì)誤差為6.61%，說明所建立的模型是可靠的。

圖3 數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.3 Comparison between numerical result and experimental data

2 結(jié)果與分析

2.1 流場(chǎng)速度和壓降

圖4顯示當(dāng)進(jìn)口速度為0.922 m/s時(shí)3類波形板內(nèi)的速度云圖。在3類波形板向外凸的折角和疏水鉤下游貼近壁面處均出現(xiàn)存在漩渦的低速區(qū)，這些區(qū)域減小了主流的有效流通面積。此外，在2H型和OH型疏水鉤內(nèi)的漩渦也很明顯，而氣流并不容易進(jìn)入SH型的疏水鉤形成漩渦。

由圖4可知，在通道的某些區(qū)域，由于有效流通面積變小和流向轉(zhuǎn)變，流速迅速上升形成局部高速區(qū)，且這些區(qū)域的位置受疏水鉤結(jié)構(gòu)影響。所選截面沿y軸方向的速度和湍流動(dòng)能分布如圖5所示，其中A-A截面與B-B截面沿x軸方向與進(jìn)口分別距離35 mm和88 mm。

圖4 波形板內(nèi)的速度云圖Fig.4 Velocity contour in corrugated plate

由圖5a可看出，在第1個(gè)折角后的A-A截面，蒸汽主流速度最高的是2H型。其原因主要是2H型的直鉤與彎鉤等高而OH型和SH型的直鉤略低于彎鉤，再加上漩渦的存在，2H型折角下游的有效流通面積明顯比上游小，而OH型和SH型變化不大。在A-A截面后，2H型流速增大的區(qū)域仍是折角下游，而OH型和SH型主要出現(xiàn)在彎鉤頂端附近，這是彎鉤使得流通面積突然減小以及部分蒸汽流向迅速轉(zhuǎn)變所造成的。B-B截面所在通道的流場(chǎng)已經(jīng)達(dá)到自相似狀態(tài)，由圖5b可知在B-B截面主流速度最高的也是2H型，這表明OH型和SH型疏水鉤結(jié)構(gòu)能降低主流速度。

壓降是評(píng)價(jià)波形板性能的一個(gè)重要指標(biāo)。

a——A-A截面；b——B-B截面圖5 所選截面沿y軸方向的速度和湍流動(dòng)能分布Fig.5 Velocity and turbulence kinetic energy distributions along y direction on chosen plane

除了速度大小，波形板的壓降還與漩渦區(qū)密切相關(guān)。結(jié)合圖4、5可知，漩渦與主流過渡區(qū)的速度梯度很大，且出現(xiàn)1個(gè)湍流動(dòng)能峰值。主流與漩渦間的流體質(zhì)點(diǎn)存在著劇烈的碰撞與摩擦，在動(dòng)量交換中產(chǎn)生較大的能量損失。用歐拉數(shù)Eu來評(píng)價(jià)幾何結(jié)構(gòu)對(duì)壓力損失的影響，Eu可表示為：

(5)

式中：Δp為壓降；uin為進(jìn)口速度。Eu隨雷諾數(shù)Re變化趨勢(shì)如圖6所示。當(dāng)Re大于20 000時(shí)，OH型和SH型的Eu基本保持不變，而2H型的Eu在Re為45 000時(shí)仍處于上升狀態(tài)，其能量損失要遠(yuǎn)大于另外兩種板型。

圖6 Eu隨Re的變化Fig.6 Change of Euler number with Reynolds number

2.2 液滴運(yùn)動(dòng)分離行為

波形板汽水分離器的主要分離機(jī)理是慣性分離。液滴的運(yùn)動(dòng)特性可用慣性力FI與拖曳力FD的比值來反映[20]：

(6)

式中：rd為液滴運(yùn)動(dòng)軌跡的曲率半徑；μg為蒸汽動(dòng)力黏度。

進(jìn)口流速為0.922 m/s時(shí)，不同直徑液滴在3類波形板前4級(jí)中的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖7所示。由圖7可見，由于慣性力作用，疏水鉤附近的高流速區(qū)會(huì)導(dǎo)致大量液滴在疏水鉤后的迎風(fēng)面沉積。大粒徑液滴主要受慣性力控制，容易脫離主流被分離。微小粒徑液滴的慣性力可忽略，主要受拖曳力的影響，其運(yùn)動(dòng)軌跡與主流相近。

圖7 波形板通道內(nèi)的液滴運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.7 Trajectory of droplet in corrugated plate

圖8給出進(jìn)口流速為0.922 m/s時(shí)湍流擴(kuò)散效應(yīng)與液滴分離行為的關(guān)系。當(dāng)不考慮湍流擴(kuò)散效應(yīng)時(shí)，直徑為10 μm的液滴全部在前兩級(jí)被分離。當(dāng)考慮湍流擴(kuò)散效應(yīng)時(shí)，液滴的運(yùn)動(dòng)與氣相脈動(dòng)速度相關(guān)，特別是在漩渦附近。這是由于漩渦附近湍流強(qiáng)度大，由式(3)可知其氣相脈動(dòng)速度也大，導(dǎo)致微小液滴容易在運(yùn)動(dòng)中改變方向。

液滴直徑：a——10 μm；b——50 μm圖8 各級(jí)通道內(nèi)液滴的分離情況Fig.8 Droplet separation performance of each bend

從圖7可看出，微小粒徑液滴的運(yùn)動(dòng)軌跡呈發(fā)散無(wú)規(guī)則狀態(tài)，再加上其對(duì)蒸汽的隨流性較強(qiáng)，因而10 μm液滴在各級(jí)通道中均會(huì)與壁面碰撞被捕獲，湍流擴(kuò)散效應(yīng)增大了細(xì)小液滴與波形板壁面碰撞的概率。由圖8b可知，湍流擴(kuò)散效應(yīng)也會(huì)對(duì)大粒徑液滴的運(yùn)動(dòng)分離行為造成影響，不過影響程度相對(duì)較小。

對(duì)比圖7、8可發(fā)現(xiàn)，疏水鉤的結(jié)構(gòu)影響著不同直徑液滴在波形板內(nèi)如何以及在何處被排出。一方面，疏水鉤通過流場(chǎng)影響液滴的運(yùn)動(dòng)分離行為，液滴在不同板型中的速度及受到湍流擴(kuò)散效應(yīng)的程度不同，此外許多小粒徑液滴會(huì)被2H型和OH型疏水鉤中的漩渦卷吸進(jìn)入疏水鉤內(nèi)。另一方面，疏水鉤的結(jié)構(gòu)直接影響著液滴的運(yùn)動(dòng)軌跡，OH型和SH型的彎鉤高于直鉤直接迎著來流，會(huì)對(duì)經(jīng)過的部分液滴進(jìn)行直接攔截，尤其是大粒徑液滴。不過SH型彎鉤與直鉤的間隙很小，小粒徑液滴由于隨流性強(qiáng)不易進(jìn)入SH型的疏水鉤。

2.3 分離效率

圖9給出進(jìn)口速度為0.922 m/s時(shí)液滴在不同鉤型的波形板汽水分離器出口處的數(shù)量分布。出口數(shù)量份額fi為第i個(gè)尺寸組的液滴在出口處的數(shù)量與進(jìn)口處液滴總數(shù)量的比值：fi=φi(1-ηi)。微小粒徑液滴在OH型中受到的湍流擴(kuò)散效應(yīng)較大，且受到的拖曳力相對(duì)較小，因而在OH型中更容易被分離。直徑較大的液滴雖然在OH型中受到的慣性力不是最大，但在OH型中的分離效率最高，這是由于OH型對(duì)這部分液滴的直接攔截起重要作用。

圖9 出口液滴的數(shù)量分布Fig.9 Droplet number distribution at outlet

表1列出在不同工況下(板型-進(jìn)口流速)各級(jí)通道捕獲液滴的質(zhì)量份額。由表1可知，無(wú)論哪種工況，各級(jí)通道捕獲液滴的質(zhì)量份額都很不均勻，且都是第2級(jí)通道捕獲液滴的質(zhì)量份額最大。通過對(duì)比可知，OH型的不均勻程度最高，而2H相對(duì)較低。這是由于2H型的流場(chǎng)速度最高，液滴比較容易被蒸汽攜帶到達(dá)后面幾級(jí)的通道。隨著進(jìn)口流速的增大，這種不均勻程度也變高，當(dāng)進(jìn)口流速為1.863 m/s時(shí)，OH型前兩級(jí)捕獲液滴的質(zhì)量份額高達(dá)94.96%。

表1 各級(jí)通道捕獲液滴的質(zhì)量份額Table 1 Percentage of liquid trapped in each bend

2.4 分離性能對(duì)比

由文獻(xiàn)[6]可知，單位時(shí)間內(nèi)蒸汽流過波形板所損失的能量W∝ugΔp。為了找出具有最佳分離性能(更高的分離效率和更低的壓力損失)的波形板，采用ugΔp和分離效率來綜合評(píng)價(jià)波形板的分離性能。不同類型波形板ugΔp與分離效率的關(guān)系如圖10所示。在達(dá)到同一分離效率時(shí)，能量損失最低的是OH型而最高的是2H型，且分離效率越高，這種差異越明顯，可見OH型波形板的分離性能最佳。

圖10 ugΔp與分離效率的關(guān)系Fig.10 Relationship between ugΔp and separation efficiency

3 結(jié)論

本文采用數(shù)值模擬方法研究了不同進(jìn)口速度下疏水鉤結(jié)構(gòu)對(duì)雙鉤波形板汽水分離器分離效率和壓降的影響規(guī)律，主要結(jié)論如下。

1) 小粒徑液滴對(duì)蒸汽的隨流性較強(qiáng)，容易逃逸出波形板，且由于湍流擴(kuò)散效應(yīng)其在波形板的各級(jí)通道中均會(huì)被分離。大粒徑液滴由于慣性力占主導(dǎo)作用，容易與壁面或疏水鉤碰撞在前兩級(jí)通道就被分離?？偟膩砜?，第2級(jí)通道分離出來的液滴數(shù)量最多，即使進(jìn)口流速(0.276 m/s)較低，OH型波形板第2級(jí)通道捕獲液滴的質(zhì)量份額也可高達(dá)39.59%。

2) 疏水鉤的結(jié)構(gòu)對(duì)雙鉤波形板分離性能會(huì)產(chǎn)生較大的影響。疏水鉤的結(jié)構(gòu)直接影響著流場(chǎng)的流速和湍流強(qiáng)度，進(jìn)而影響能量損失和液滴的運(yùn)動(dòng)分離行為。此外，疏水鉤結(jié)構(gòu)決定著攔截液滴作用的強(qiáng)弱，對(duì)分離效率會(huì)產(chǎn)生較大影響。

3) 可以采用ugΔp和分離效率來綜合評(píng)價(jià)波形板的分離性能，且OH型波形板的分離性能最佳，能達(dá)到優(yōu)化效果。