疏水钩对波形板汽水分离器性能影响的研究

杜利鹏，张文超，金光远

(东北电力大学能源与动力工程学院，吉林 吉林 132012)

波形板汽水分离器具有分离效率高、阻力小、破膜速度高等优点，被广泛应用于核动力装置中，并且作为汽水分离系统最后一级分离器，在核电站中占有重要的地位[1].目前，国内外对波形板汽水分离器的研究主要包括试验研究和数值模拟两方面.实验研究方面，由于制造湿蒸汽需要产生沸腾现象，并且蒸汽冷凝以及液滴的行为比较难以控制，故试验研究主要以冷态实验为主，即在冷态工况下，对波纹板分离器的分离性能进行分析.而数值模拟可以有效地模拟不同工况和不同结构参数下的分离效率，并展开相关的试验验证，为波形板分离器的结构优化提供参考[2].

大部分学者对波形板的研究集中于揭示分离性能和结构优化[3，4]，以二维冷态工况下计算分析为主，如Kitront[4]通过实验研究得出了碰撞引起的液滴破碎与聚合对液滴尺寸分布有很大影响.李雨铮等[5]用大涡模拟的方法更准确的计算了分离效率，得出了更为准确可信的液滴轨迹.张谨奕等[6]通过理论分析，建立了单个液滴在三维流场中的运动模型，并运用到了波形板汽水分离器的效率分析中.Verlaan等人[7]为了分析波形板分离器的性能，运用数值模拟方法，研究了波形板分离器内湿蒸汽的流动状态，并通过大量的实验，进一步研究不同直径液滴的分离效率，研究中发现湍动能对液滴的破碎和聚合有着很大的影响.田瑞峰[9]等采用经典成核理论和液滴生长模型，对波纹板上湿蒸汽凝结过程进行了描述，采用CFX软件对水滴凝结过程进行了模拟，并对湿蒸汽凝结特性进行了分析，结果表明成核率随时间逐渐增大，与湿蒸汽温度呈正相关.该课题组通过数值计算和实验研究两种方法的对比研究，对波形板分离效率的影响因素进行研究[10-11].在数值模拟中，使用了涡量—流函数法模拟；在实验中利用高速摄影的方法.通过两种方法对比的形式，得出了液膜厚度对二次携带发生的临界流速的影响，并通过高速摄像技术对波形板上的液膜破裂进行观察和分析.结果表明，液膜的厚度越大，其对应的气流临界速度越小.

本文通过研究带钩波形板内蒸汽流动和液滴分离特性，确定疏水钩对分离器性能的影响规律，从而为带钩波形板的优化设计提供一定的参考依据.

1 物理模型及控制方程

湿蒸汽在波形板内流动，液滴撞击到板面上形成液膜，从而达到分离的目的.湿蒸汽中液滴直径较小，以离散相的形式分散在汽相中，故采用DPM两相流模型进行模拟，离散相运动控制方程为

(1)

(2)

(3)

公式中：t为时间，s；FD液滴所受剪切力，N；Fx，惯性力，N；u，气相流速，m/s；ud，液滴流速，m/s；gx、ρd、ρ为液滴和气相密度，kg/m3；μ为气相动力粘度，Pa·s；Re为相对雷诺数；CD为剪切力系数；a1、a2、a3为常数.

液滴撞击到壁面形成液膜，液膜形成采用壁面液膜模型(Wall Film Model)，具体控制方程如下：

液膜质量方程：

(4)

液膜动量方程：

(5)

ms=mp，

(6)

(7)

气相连续方程和动量方程见参考文献[12].

2 网格无关性验证及边界条件

波形板汽水分离器结构比较简单，故采用六面体结构化网格，并对疏水钩位置和近壁区域进行了加密处理，如图1所示.为选取合适的网格，分别对80万、100万、150万、170万、200万进行了模拟计算，并取同一截面位置处的流速进行比较，如图2所示.波形板内部流动假设为定常不可压缩恒温流动.湍流模型采用Realizable k-ε模型，近壁区域采用壁面函数法，进口和出口分布为流速和压力边界，波形板底部和顶部采用周期性边界，离散边界条件为壁面液膜模型，采用二阶迎风格式，离散化方法选用SIMPLE方法.

图1 波形板流道入口部分截面网格图2 网格无关性验证

从图2中可以看出，相同条件下，X=80 mm处截面的流体平均速度在超过150万之后，计算结果相差不大，考虑到计算能力等因素，故在研究中选取网格数目为170万.

3 模型验证

为验证本文所用模型的合理性，将模拟结果与Akio Miyara[13]的实验结果进行对比分析，比较结果如图3所示.图3a为模拟结果中液膜厚度沿蒸汽流动方向变化曲线，图3b为实验观察到的波形变化.从图3a中可以看出，在垂直高度0.06 m～0.07 m位置处的液膜厚度变化趋势与图3b区域II中微小波状曲线变化趋势相同，在高度为0.03 m～0.05 m位置处的液膜厚度变化趋势与区域III中的弓形波状变化趋势相同，而在0.02 m高度的液膜厚度变化曲线与区域IV独立波形相似.从两图的对比可以看出数值模拟结果与文献中的实验结果相吻合，从而说明本文所用模型的合理性.

4 疏水钩对汽水分离器性能的影响

4.1 疏水钩对蒸汽流动的影响

波形板Z方向上某一截面的速度流线图及某位置的局部放大图如图4所示，从图4中可以看出，气流在经过波形板的双钩槽时，会在双钩槽内部空间中形成漩涡.由于离心力的作用，处于漩涡中的液滴会从气流中分离出来，撞击在壁面上从而形成一层较薄的液膜.最后液膜顺着波形板壁流下，达到液滴分离并收集的目的.在波形板汽水分离器末级最后一个疏水钩的背风面存在回流，回流的存在进一步降低了出口气流的液滴携带量.

入口流速不同时Z=0.04 m截面的速度云图，如图5所示.通过观察云图分析可知，当入口速度从1.1 m/s逐渐增大到6.6 m/s时，波形板流体通道内的最大速度也会随之增大，并且最大流速出现的位置一般在波形板的疏水钩的折弯处.这主要是由于疏水钩的存在，流道截面突然变小，增加了流动阻力，气体进入波形板曲折通道时流速加大.气体流进双钩区域后会形成漩涡，使流场产生了强烈的扰动，并且，在双钩的腔室内，流速都很低，这样被分离出的液滴就很难被气流带回到主气流中，有效的防止了二次携带.

4.2 疏水钩对液滴分离特性影响

为了分析疏水钩结构尺寸对波形板分离器性能的影响，对带有不同长度、宽度疏水钩的分离器进行模拟.

4.2.1 疏水钩长度对波形板分离器性能的影响

本文对无疏水钩分离器、以及长度为4.5 mm、5 mm、5.5 mm的疏水钩进行模拟分析结果，如图6所示.

其中，分离效率按下式计算.

(8)

公式中：m1为波形板的液滴总质量，kg；m2为波形板壁收集的液体总质量，kg.

从图6中可以看出，当汽流速度为3.3 m/s，液滴直径小于100 μm时，液滴的分离效率随着疏水钩的长度逐渐增加；当液滴直径大于100 μm后，疏水钩存在能明显提高汽水分离效率，但疏水钩长度的大小对提高效率的影响不大.当进口速度为4.4 m/s、5.5 m/s和6.6 m/s时，分离效率的变化趋势与3.3 m/s相同，与无钩波形板相比，分离效率大大提高，当对于直径大于100 μm的液滴而言，疏水钩长度对分离效率的影响较小.分析其原因，加装疏水钩有两个作用，一是，疏水钩对液滴有直接拦截作用，并且疏水钩越长，拦截的液滴数量越多，使得分离效率提高；二是，疏水钩长度增加，绕流增强，致使湍动度逐渐增大.根据颗粒运动学原理，离心力与速度的三次方成正比从而产生更大的惯性力，使得小液滴与壁面发生碰撞而被捕获.

在增加疏水钩的同时，会增大蒸汽流动的局部阻力.因此，疏水钩的尺寸要综合考虑分离效率和阻力的影响，不同长度疏水器的压降如图7所示.

从图7中可以看出，随着疏水钩长度的增加，通道内的压降变大.分析其原因，疏水钩长度越大，波形板通道内气流流动方向上的截面积就越小.由于疏水钩阻塞了流道空间，局部阻力就越大.另外当疏水钩加长，气流折弯运动会更剧烈，流场的扰动会更强，湍动损失就会增加.

4.3.2 疏水钩宽度对波形板汽水分离器性能的影响

本文对带有三种宽度尺寸疏水钩的分离器进行了模拟计算，结果如图8所示.从图8中可以看出，蒸汽流速为3.3 m/s时，直径为100 μm以下液滴的分离效率随着波形板宽度逐渐增大，直径为100 μm以上的液滴，疏水钩宽度对其分离效率影响不大.蒸汽流速为4.4 m/s时，分离效率变化规律与蒸汽流速为3.3 m/s时相似.当蒸汽流速达到5.5 m/s后，疏水钩宽度由5.5 mm增加到6.6 mm时，直径为100 μm以下液滴的分离效率略有提高，直径在100 μm以上液滴的分离效率不随着疏水钩宽度的增加发生变化.分析其原因，液滴直径较小时，受到的剪切力影响较大，液滴随蒸汽流动，疏水钩的存在增大了捕捉小液滴的概率，疏水钩尺寸越大，捕捉液滴越多，液滴分离效率越大；直径较大的液滴，其重力的作用占主导地位，液滴在疏水钩附近形成漩涡滞留区域后，液滴由于重力的作用，落到水滴收集区域，故疏水钩尺寸对液滴分离效率影响不大.

不同宽度疏水钩波形板汽水分离器压降如图9所示，蒸汽流动压降随着波形板的增加逐渐增大，入口流速越大增加速率越快.

5 结 论

本文对不同结构尺寸的带钩波形板汽水分离器进行了数值模拟，分析了疏水钩结构尺寸对蒸汽流动和分离器分离效率的影响，得到如下结论：

(1)疏水钩的存在，会造成蒸汽在疏水钩附近区域形成漩涡，液滴在漩涡内旋转运动，碰撞壁面，从而增加分离器的液滴分离效率；

(2)增加疏水钩长度能明显提高直径较小液滴的分离效率，但对大液滴不明显，但同时会增加蒸汽在分离器内的流动压降；

(3)增加疏水钩宽度也能明显提高直径较小液滴的分离效率，但当蒸汽流速较大时，疏水钩宽度增加到一定程度后，分离效率不随着疏水钩宽度的继续增加而增大.