汽水分离器用波纹板气动与分离性能研究

朱幼君,　杨　晓

(上海发电设备成套设计研究院， 上海 200240)



汽水分离器用波纹板气动与分离性能研究

朱幼君,杨晓

(上海发电设备成套设计研究院， 上海 200240)

摘要：针对核电机组中的汽水分离器用波纹板，采用计算流体力学方法对不同结构波纹板模型进行了数值模拟，分析了波纹板内流场的特点，并与试验结果进行了对比.结果表明：数值计算结果与试验结果基本吻合，数值计算可以较准确地模拟波纹板中的流场；流动分离是造成波纹板压力损失的主要因素.

关键词：汽水分离器; 波纹板; 压降; 数值计算

汽水分离器是核电机组中的关键设备，其功能是将过饱和蒸汽中的液滴分离出来，降低湿度,以保证核动力装置安全经济运行[1].一方面蒸汽发生器循环倍率较大，另一方面饱和蒸汽在汽轮机高压缸膨胀做功后，出口含水量也会明显增加.如果作为工质的饱和蒸汽携带有较多的水分，会对透平叶片及蒸汽通道造成严重的侵蚀现象，导致运行效率显著降低，并影响汽轮机工作的可靠性.汽水分离器能有效地去除蒸汽中的水分，大大降低蒸汽湿度，从而达到下一级做功要求,因此高效率的汽水分离器是核动力装置安全运行的重要保证[2].除在核能领域应用外，汽水分离技术也广泛地应用于环保、石油化工、电力和动力等其他国民经济领域，包括海水淡化用干燥器、水处理、空气过滤、油烟分离、石油开采蒸汽注入、石油的输送以及火电站烟气脱硫等领域.

多年来，国内外学者对波纹板汽水分离器的性能和原理进行了大量研究.总体来说，研究以试验为主，通过选型试验比较不同结构分离器的分离效率[3-4].但目前对波纹板汽水分离器分离规律的认识还不充分，未能得出有较好适用性的波纹板汽水分离器分离效率的计算公式.此外，也有部分学者对波纹板汽水分离器内的汽水分离过程进行了数值模拟[5]，但由于涉及复杂的两相流方程，因而这类问题的理论分析和数值计算面临很大的挑战，所建立的数值模型及其计算结果也需要高精度的试验数据进行验证.笔者借助Fluent软件平台，以波纹板汽水分离器模型为研究对象，采用数值计算方法对波纹板汽水分离器内部流场进行研究.将激光粒子图像测速技术(PIV)应用于水洞试验台架，对窄流道、单通道的波纹板结构流动形态进行了测量并验证了数值计算方法的正确性,同时分析了提高波纹板汽水分离器分离效率的方法和途径，为了解和掌握波纹板汽水分离器气体流动的规律和在工程应用中设计出高分离效率、低流动损失的波纹板汽水分离器提供参考.

1建模与数值计算

1.1几何结构及网格化分

波纹板汽水分离器由一系列加工成波纹状的薄板组成，其工作原理为：汽流携带着微小液滴在波纹板构成的通道内做曲线运动，由于蒸汽流动方向的不断变化和液滴离心力的作用，液滴不能随汽流偏转而撞击波纹板壁面，其中一部分液滴黏附在波纹板壁面上形成水膜，水膜靠自身的重力不断向下流动，并汇聚成较大的水流，离开波纹板.

图1　波纹板的汽水分离工作原理

图2所示为波纹板的通道模型.根据通道和疏水钩形状分为单钩、双钩和大V 3种结构.在对波纹板通道进行计算时，由于重力和浮力垂直于流动方向，不考虑重力和浮力，将问题简化为二维.

采用ICEM-CFD的结构化网格划分方法，图3为流动区域网格分块.ICEM采用与实体分离的块网格划分策略，流动区域由多个可变形的矩形组成，先对矩形进行结构化网格划分，然后将网格映射到实体上，可以针对复杂模型得到高质量的结构化网格，且网格的参数易于控制.计算中，依照板形的不同，对流动区域采用不同的分块策略.双钩结构的分块如图3所示.为了提高局部圆角附近的网格质量，对疏水钩形成的圆角区域采用O-Grid划分策略.

(a) 单钩

(b) 双钩

(c) 大V

图3　流动区域网格分块

为了确定网格数对计算的影响，分别用网格最大尺寸为3 mm、2 mm和1 mm的3套网格进行了无关性检验.最后选定的单钩计算网格数为537 062，网格的最小夹角为18°.对壁面附近网格适当加密，边界网格第一层节点距壁面0.2 mm，每层网格节点距离比为1.05.局部网格划分见图4.

1.2计算方法和边界条件

流动为定常流动，气相不可压缩，控制方程采用雷诺平均N-S方程组.

(1)

(a) 疏水钩

(b) 挡水板

分离效率计算选择离散相模型，气相为连续相，液滴为离散相，离散相模型忽略颗粒对连续相的影响.笔者计算含液滴气流通过波纹板汽水分离器时液滴的分离效率，波纹板汽水分离器入口蒸汽湿度不超过25%，水分的体积分数小于1%，因此适用离散相模型.离散相模型的求解思路为：先计算出连续相的主流场，然后再将离散相添加到主流场中，模拟离散相的运动.因此，计算中需要首先针对空气流场进行数值模拟.由于气流速度较大和疏水钩流动的扰动作用，波纹板通道内的流动为湍流流动.

湍流模型选择Realizablek-ε模型.标准k-ε模型适用于大多数湍流计算，但汽水分离器中的流场存在很强的流线弯曲，标准k-ε模型计算精度大大下降.RNG模型则通过修正将k-ε模型扩展到低雷诺数湍流流动中，故本计算选用Realizablek-ε模型.

壁面处理方法为增强型壁面函数.壁面区域通常有2种处理方法：一种为壁面函数法，即网格划分避开黏性底层，将近壁面第一个节点布置在对数律成立的区域，用一组半经验公式将壁面上的物理量与湍流核心区的相应物理量联系起来，这种方法计算效率很高，有很强的工程实用性，但当流动分离过大时，计算精度不够理想；另一种方法是在壁面区域划分细密网格.本计算中出现流动分离现象的区域较多，为了研究气场对壁面液膜的影响以及近壁面区域液滴的行为，需要求解近壁面流场，因此采用增强型壁面函数，在壁面附近划分10层细密网格，并根据Y+值进行自适应加密，加密标准为保证壁面区域Y+<4.

采用压力基求解器、耦合式算法.梯度插值采用Least Squares Cell Based格式，压力插值采用Presto!格式，动量、湍动能及湍流耗散率均采用Quick格式.压力和速度的耦合方法采用Couple方法，调节并确定Courant数和松弛因子.

进口边界条件为给定速度的均匀来流，出口边界条件为压力出口，壁面为无滑移边界.

1.3试验验证

为了验证数值计算的准确性，对波纹板通道内的速度场进行了测量，并与数值计算结果进行对比.考虑到通道较窄，为增强流场测量的准确性，流场测量选取在水洞试验台上进行，试验台架如图5所示.试验回路由水箱、循环泵、变频仪以及管路系统等组成.水箱处设有孔板，以削弱水泵出水的振荡，达到初步整流的效果.流场测量采用丹麦DANTEC公司的TR-PIV进行.为提高空间分辨率，试验中采用了1 600万像素的CCD相机.示踪粒子采用空心玻璃微珠，其对于本试验示踪性较好.

图5　波纹板水洞试验台

选取与流向垂直的法向剖面线，提取剖面线上的速度分布，并与数值计算结果进行对比.图6为波纹板V形拐角位置示意图.图7为试验测量得到的速度与数值计算结果的对比.法向位置速度剖面线呈先升高再降低的趋势，计算值与试验值比较接近，可以认为数值计算能够比较准确地描述流场的流动情况.

图6　波纹板汽水分离器速度测量位置示意图

图7　试验测量得到的速度与数值计算结果的对比

2计算结果的讨论

2.1气动性能模拟

对3种结构的波纹板分别进行数值计算，图8所示为3种结构波纹板的速度云图.从图8可以看出，3种结构波纹板均在疏水钩靠近流道中心处出现了局部高速流，最大速度均出现在分离器的中段.在疏水钩弯角后方出现了明显的边界层分离现象，加剧了湍流的同时也增大了阻力.单钩的疏水钩前方出现了返流，双钩的疏水钩入口出现了明显的漩涡.大V结构介于单钩和双钩之间，其流场既类似双钩流场在沟槽内形成明显漩涡，又类似于单钩在疏水钩后方形成严重边界层分离.大V结构沟槽开口范围大，且正对来流方向，边界层分离严重，在一定程度上增大了湍流度，也增大了单个沟槽前后的压降.但对比流动矢量图(见图9)可以发现，大V和双钩的流场中主流的流动方向一直保持着相对一致性，可以形成较稳定的流动，而单钩的主流流场中存在大量不同流向流体间的掺混和交汇，宏观的紊动非常剧烈，几乎没有形成稳定的流场结构.

(a) 大V

(b) 单钩

(c) 双钩

(a) 大V

(b) 单钩

(c) 双钩

压力损失是衡量波纹板气动性能的主要参数.图10所示为3种结构波纹板的压力云图.从图10可以看出，双钩结构压降最小，大V结构和单钩结构压降大，但由于大V结构通道的反转次数小于双钩和单钩结构，其总的压降反而小于单钩结构，单钩结构的压降最大.

2.2汽液分离模拟

从2个方面来讨论不同结构对分离效率的影响：一是不考虑湍流效应；二是考虑湍流效应.液滴直径变化范围设定为5～10 μm.

(a) 大V

(b) 单钩

(c) 双钩

首先不考虑湍流效应，在入口处平均分布60个等直径的液滴并计算其分离效率.然后模拟考虑湍流效应下的分离效率，在入口中心处放置一粒液滴，模拟其通过流场100次时的情形，液滴采用随机游走模拟，计算随机漩涡生存时间.以8 μm液滴为例，图11(a)和图11(b)分别给出了双钩8 μm液滴在考虑和不考虑湍流效应时的运动轨迹图.从图11可以看出，考虑湍流效应时，由于漩涡的随机运动，较小颗粒液滴的运动轨迹会大大发散，湍流效应对小颗粒液滴分离效率的影响较大.

图12给出了不考虑湍流效应时不同结构波纹板分离效率的对比.不考虑湍流效应(即认为流场中没有脉动)时，液滴颗粒能否与壁面发生碰撞完全取决于液滴颗粒靠近壁面边界层时的法向速度与阻力的大小，而与湍流程度无关.此时，液滴靠近壁面的阻力主要是壁面法向方向上液滴与空气间相对速度差引起的黏性阻力，其与液滴速度和液滴直径相关.当液滴直径一定时，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获.即使得液滴具有更大的法向速度的分离器结构能够取得更好的分离效果.

(a) 考虑湍流效应

(b) 不考虑湍流效应

图12　不考虑湍流效应时不同结构波纹板分离效率的对比

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场影响.图13给出了3种结构波纹板流场中压力梯度大小的分布.从图13可以看出，单钩和双钩结构在流道中央地带形成了连续高压力梯度区，且方向周期变换，这意味着流场中液滴颗粒会交替受到相反方向的作用力，从而难以靠向特定的一侧壁面.对于单钩结构来说，压力梯度方向转换位置在沟槽后方，不影响液滴进入沟槽内，而对于双钩结构来说，压力梯度方向变化处刚好位于沟槽入口处，影响颗粒进入沟槽内.大V结构与前两者相差很大，其高压力梯度区域是断续的，在2个沟槽之间有一长段压力梯度较小的区域，有利于增大液滴沿壁面法向方向的分速度，且其高压力梯度区位于流道狭窄区，一半方向指向壁面，一半指向沟槽入口，有利于颗粒的捕获.因此，不考虑湍流效应时，大V结构的分离效率高于其他2种结构.

(a) 大V

(b) 单钩

(c) 双钩

图14给出了考虑湍流效应时不同结构波纹板分离效率的对比.由图14可知,考虑湍流效应且当液滴粒径大于5 μm时，大V结构都有比较好的分离效果，且粒径越小，其优势越明显.单钩结构的分离效果优于双钩结构.

图14　考虑湍流效应时不同结构波纹板分离效率的对比

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

考虑湍流效应时，湍流效应会随机给予液滴颗粒一定的速度，从而增大其与壁面的碰撞概率.湍流越强，对液滴的影响也会越大.图15给出了3种结构波纹板平均湍流动能的对比.由图15可以发现单钩结构的湍流强度较高.对比图14和图15可以看出，双钩结构的湍流强度在整个流道长度方向上分布相对较为均匀，没有湍流特别强的区域，而在流动垂直方向上，湍流主要集中在壁面附近，在流道中心地带形成了低湍流区.而流道中心处的颗粒最为集中，也最难碰到壁面，由之前的分析可知，在该区域内，快速交变的压力梯度导致液滴离开该区域较为困难，此时较低湍流水平则很难给予液滴足够的速度使其脱离流场.对于大V结构，垂直方向上湍流强度集中在流道中心，流动方向上湍流强度区域非常集中，都集中在流道狭窄区域，这2点都有利于液滴更大概率地靠近壁面.这也是大V结构与双钩结构的分离效率相差悬殊的另一个原因.

(a) 大V

(b) 单钩

(c) 双钩

3结论

(1) 通过试验与数值模拟对比了波纹板分离器通道内特征平面速度的分布.试验结果与数值计算结果基本吻合，从而验证了数值计算的可靠性.

(2) 计算了不同结构波纹板的速度云图和压力云图，比较了不同结构波纹板的压力损失.综合流动结构分析结果，流动分离是造成波纹板压力损失的主要因素.

(3) 湍流效应对提高小颗粒液滴的分离效率起到了极大的作用.

(4) 波纹板结构设计应尽量避免在流道中形成连续的快速交变压力梯度区，且尽量增大湍流度，但湍流度在流动方向上不应该是均匀的，应尽量增大流道中心区域的湍流度或者局部狭窄流道处的湍流度.

参考文献：

[1]李亮，王华，游玮,等.核电汽轮机汽水分离再热器的发展现状[C]//中国动力工程学会透平专业委员会2011年学术研讨会论文集.德阳:中国动力工程学会，2011:267-277.

[2]陈韶华.PWR蒸汽发生器高效紧凑汽水分离系统的理论及试验研究[D].武汉：华中理工大学，1996.

[3]路铭超，李亚洲，熊珍琴. 汽水分离器性能试验研究[J]. 动力工程学报，2013,33(1):76-80.

LU Mingchao, LI Yazhou, XIONG Zhenqin. Experimental study on performance of moisture separators [J]. Journal of Chinese Society of Power Engineering, 2013,33(1):76-80.

[4]李嘉.波形板汽水分离器的理论与实验研究[D].武汉：华中理工大学，2007.

[5]黄伟，陈五星，张文其,等. 蒸汽发生器一级汽水分离器两相流动数值模拟[J]. 核动力工程,2006,27(1):76-79.

HUANG Wei, CHEN Wuxing, ZHANG Wenqi，etal. Numerical simulation for two-phase flow in first-stage moisture separator of steam generator [J]. Nuclear Power Engineering, 2006,27(1):76-79.

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

修订日期：2015-11-22

基金项目：国家核电技术公司员工创新项目(SNP-KJ-CX-2013-11)；上海市自然科学基金资助项目(14ZR1418000)；上海市闵行区科技项目(2014MH168)

作者简介：朱幼君(1979-)，女，湖南长沙人，高级工程师，博士，研究方向为核电设备鉴定分析和试验研究. 电话(Tel．)：64358710-599； E-mail：zhuyoujun@speri.com.cn．

文章编号：1674-7607(2016)06-0498-07中图分类号：TL353+.13

文献标志码：A学科分类号：490.50