文丘里式氣泡發(fā)生器工作特性分析

居曉峰 孫立成 唐文偲 運(yùn)紅宇 閻昌琪

1（哈爾濱工程大學(xué) 核安全與仿真技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室 哈爾濱 150001）

2（四川大學(xué) 水利水電學(xué)院 成都 610207）

文丘里式氣泡發(fā)生器工作特性分析

居曉峰1孫立成2唐文偲1運(yùn)紅宇1閻昌琪1

1（哈爾濱工程大學(xué) 核安全與仿真技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室 哈爾濱 150001）

2（四川大學(xué) 水利水電學(xué)院 成都 610207）

氣泡發(fā)生器是釷基熔鹽堆脫氣系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其功用為將載氣碎化成尺寸均勻的小氣泡。本文在脫氣系統(tǒng)水實(shí)驗(yàn)回路實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模擬方法，應(yīng)用SIMPLEC算法對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型和多相流混合模型進(jìn)行耦合求解，分析了沿氣泡發(fā)生器流動(dòng)方向的氣液兩相流場(chǎng)速度變化、壓力變化、湍動(dòng)能分布規(guī)律。沿流向的速度分布表明，氣相從喉部開始沿壁面流動(dòng)，包圍位于中心區(qū)域的水相，氣相速度在擴(kuò)張段入口處明顯降低，速度梯度的變化形成剪切，使得氣相破碎、分裂；壓力分布表明，在氣泡發(fā)生器的擴(kuò)張段入口附近出現(xiàn)了壓力梯度的峰值，與實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的氣泡集中碎化的位置相近，說(shuō)明壓力的迅速回升可能加速了氣泡的碎化；湍動(dòng)能分布表明，擴(kuò)張段出口湍動(dòng)能相對(duì)較大，說(shuō)明此處氣液兩相能量交換強(qiáng)烈，產(chǎn)生強(qiáng)烈的剪切應(yīng)力，使氣液兩相彼此剪切、破碎。以上結(jié)果說(shuō)明，擴(kuò)張端入口處由于較大的速度梯度及湍動(dòng)能峰值，導(dǎo)致產(chǎn)生巨大的剪切應(yīng)力，使氣泡出現(xiàn)集中破裂現(xiàn)象。

熔鹽堆，氣泡發(fā)生器，氣泡碎化，數(shù)值計(jì)算

在熔鹽堆運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)不斷產(chǎn)生中子吸收截面較大的裂變氣體，如氙、氪等，它們的存在嚴(yán)重影響到反應(yīng)堆的運(yùn)行。熔鹽堆的脫氣系統(tǒng)向燃料鹽中以氣泡形式連續(xù)通入一定含量的載氣，通過(guò)傳質(zhì)過(guò)程吸收裂變產(chǎn)生的氙和氪。富含裂變產(chǎn)物氣體的載氣氣泡，通過(guò)脫氣回路中的分離器從熔鹽中分離，從而達(dá)到連續(xù)從熔鹽燃料中去除氙和氪的目的[1]。作為熔鹽堆脫氣系統(tǒng)的一個(gè)重要設(shè)備，氣泡發(fā)生器的作用就是將注入到燃料中的載氣碎化成一定尺寸且大小均勻的小氣泡。

湍流中氣泡破裂的理論首先由Kolmogorov和Hinze提出并發(fā)展。Hinze[2]認(rèn)為在高雷諾數(shù)情況下，如果氣泡表面所受壓力波動(dòng)的影響超過(guò)了氣泡表面張力的影響，氣泡就會(huì)破裂；Fujiwara[3]利用高速攝影對(duì)文丘里管內(nèi)的氣泡碎化現(xiàn)象進(jìn)行了研究；Nomura[4]則分析了文丘里管內(nèi)氣泡碎化的過(guò)程與喉部聲速的關(guān)系。目前，對(duì)于氣泡發(fā)生器中氣泡相關(guān)研究很少。本文主要針對(duì)小型釷基熔鹽堆所設(shè)計(jì)的文丘里式氣泡發(fā)生器，結(jié)合實(shí)驗(yàn)中獲得的高速攝像資料，分析沿氣泡發(fā)生器流動(dòng)方向的各斷面氣液兩相流場(chǎng)速度變化、壓力變化、湍動(dòng)能分布規(guī)律，對(duì)我國(guó)熔鹽堆的研發(fā)設(shè)計(jì)有一定參考價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及結(jié)果分析

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果均源自作者所在項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的前期工作，現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和氣泡發(fā)生器做簡(jiǎn)要說(shuō)明。圖1所示為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖，實(shí)驗(yàn)以空氣和水為工質(zhì)，水箱中的水通過(guò)離心泵的驅(qū)動(dòng)進(jìn)入氣泡發(fā)生器入口，空氣經(jīng)儲(chǔ)氣罐進(jìn)入氣泡發(fā)生器喉部，在擴(kuò)張段氣泡碎化為大量微小氣泡，隨水流出氣泡發(fā)生器。

1.2 氣泡發(fā)生器的結(jié)構(gòu)

圖2為文丘里式氣泡發(fā)生器的結(jié)構(gòu)示意圖，水從氣泡發(fā)生器入口進(jìn)入，氣體則首先進(jìn)入一個(gè)注氣環(huán)腔，環(huán)腔通過(guò)15個(gè)均勻分布的1 mm小孔與文丘里管喉部相通，氣體通過(guò)這些小孔進(jìn)入到文丘里管喉部。

氣泡發(fā)生器的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括收縮角、喉部直徑、擴(kuò)張角等。氣泡發(fā)生器的幾個(gè)尺寸的大小直接影響氣泡的產(chǎn)生和大小，而這些尺寸一般是通過(guò)實(shí)驗(yàn)或者經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)確定。為了節(jié)約設(shè)計(jì)時(shí)間及減少實(shí)驗(yàn)費(fèi)用可考慮用FLUENT來(lái)進(jìn)行模擬，然后根據(jù)模擬結(jié)果進(jìn)行改進(jìn)。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental system.

圖2 文丘里式氣泡發(fā)生器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of the Venturi-type bubble generator.

1.3 控制方程

混合模型是一種簡(jiǎn)化的多相流模型，它用于模擬各相有不同速度的多相流，它假定了在短空間尺度上局部的平衡，來(lái)求解混合相的動(dòng)量、連續(xù)性和能量方程，第二相的體積分率以及滑移速度和漂移速度。由于模型簡(jiǎn)單，計(jì)算量小且結(jié)果較為可靠而得到了較多應(yīng)用。本文采用兩相混合模型建立控制方程。

1.4 連續(xù)性方程

1.5 動(dòng)量方程

2 氣泡發(fā)生器內(nèi)部流場(chǎng)的三維數(shù)值模擬

2.1 幾何建模、網(wǎng)格的劃分及無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

根據(jù)實(shí)驗(yàn)中氣泡發(fā)生器的結(jié)構(gòu)形式及尺寸，用三維建模軟件UG建立其完整的幾何模型，如圖3所示，支管的作用是均勻的向喉部?jī)?nèi)通入氣體。采用六面體網(wǎng)格得到的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)如圖4所示（網(wǎng)格劃分工具為ICEM CFD），劃分網(wǎng)格的主要難點(diǎn)在14根支管與喉部相連處，本次劃分先劃分喉部與支管的部分，最后進(jìn)行拉伸，網(wǎng)格的質(zhì)量指標(biāo)如表1所示。另外，喉部及擴(kuò)張段內(nèi)的區(qū)域是本文的研究重點(diǎn)，所以進(jìn)行了加密。

圖3 氣泡發(fā)生器的幾何模型Fig.3 Geometric model of the bubble generator.

表1 網(wǎng)格質(zhì)量分布Table 1 Distribution of mesh quality.

網(wǎng)格劃分的密度對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果的影響很大，一般情況下，只有當(dāng)網(wǎng)格密度增加到一定程度后，使得計(jì)算結(jié)果隨網(wǎng)格數(shù)的增加變化很小時(shí)，數(shù)值模擬計(jì)算的結(jié)果才有意義。根據(jù)網(wǎng)格敏感性分析所得結(jié)果加密劃分的網(wǎng)格，得到三套不同尺度的網(wǎng)格Coarse、Medium、Fine，網(wǎng)格數(shù)分別為726128、1204432、2497226。計(jì)算得到的壓力與速度沿氣泡發(fā)生器軸向的分布如圖5所示。可以看出，Coarse網(wǎng)格所得的計(jì)算結(jié)果與Medium的結(jié)果有一定誤差，而Medium與Fine的計(jì)算結(jié)果幾乎重合。在Medium的基礎(chǔ)上繼續(xù)加密網(wǎng)格對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響已經(jīng)可以忽略。因此，選用Medium網(wǎng)格。

圖4 氣泡發(fā)生器的網(wǎng)格劃分Fig.4 Mesh generation of the bubble generator.

圖5 不同密度網(wǎng)格所得壓力(a)和速度(b)分布對(duì)比Fig.5 Comparison of the pressure (a) and velocity (b) distribution from different grid densities.

2.2 數(shù)值模擬邊界條件

氣泡發(fā)生器入口為速度入口，出口為壓力邊界，進(jìn)氣口設(shè)為質(zhì)量流量入口，兩相之間為無(wú)滑移條件。設(shè)置邊界條件時(shí)，在湍流定義方法中選擇湍流強(qiáng)度與水力直徑。在湍流強(qiáng)度中按式(3)進(jìn)行計(jì)算：

對(duì)于水力直徑，則按照文丘里管的入口直徑來(lái)確定。對(duì)于固壁處采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理，壁面相對(duì)于混合流體無(wú)滑移，工作介質(zhì)水的密度為998kg·m-1。假設(shè)次相空氣的直徑為0.1 mm，空氣密度為1.225 kg·m-3。采用控制體積積分法離散控制方程，采用壓強(qiáng)連接的隱式修正SIMPLEC算法進(jìn)行求解。用非穩(wěn)態(tài)算法，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為0.005 s，經(jīng)過(guò)2000次迭代，經(jīng)過(guò)10 s運(yùn)算，殘差收斂至10-4以下，位于擴(kuò)張段入口的監(jiān)視參數(shù)壓力、混合速度和空泡份額均已趨于穩(wěn)定。

2.3 模型校驗(yàn)

不同入口水流量條件下進(jìn)出口壓降值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比結(jié)果如圖6所示。標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的平均誤差僅為8.9%，雖然在較低水流量時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型偏差稍大，但在較高水流量時(shí)與實(shí)驗(yàn)值符合很好。文丘里氣泡發(fā)生器的工作流量范圍處于高水流量范圍(16-20 m3·h-1)，因此數(shù)值分析選用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型。

2.4 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

2.4.1 速度分布

從圖7-9可直觀看出，氣泡發(fā)生器內(nèi)部流場(chǎng)速度分布，氣流在支管入口處被卷吸進(jìn)入氣泡發(fā)生器，在支管與喉部連接處，因水相與氣相存在較大速差，低速氣流與高速水流碰撞而被瞬間加速。氣泡發(fā)生器內(nèi)部流場(chǎng)速度分布顯示，喉部?jī)?nèi)流速最高，在擴(kuò)張段的近入口處速度梯度非常大。速度剖面呈典型的管內(nèi)流動(dòng)特點(diǎn)，而進(jìn)入擴(kuò)張段時(shí)過(guò)流斷面不斷擴(kuò)大，流速逐步降低。從沿軸向截面的速度云圖可以發(fā)現(xiàn)，在近擴(kuò)張段入口處，兩相在徑向方向的速度梯度較大，但隨著氣泡的碎化及兩相的混合，徑向方向的速度趨于均勻。雖然與喉部相連的14根支管并不呈中心對(duì)稱，但是由于空泡份額太?。ㄐ∮?.3%），氣相對(duì)于整體流場(chǎng)的影響十分微小，因此徑向速度分布大致呈中心對(duì)稱。對(duì)比混合相在軸向、徑向上的速度分布特征，可以看出，兩相流動(dòng)以軸向?yàn)橹?，在發(fā)展過(guò)程中因湍動(dòng)剪切作用，徑向不均勻分布程度逐漸減小，在擴(kuò)張段尾部，兩相已處于較好的混合狀態(tài)。

圖6 進(jìn)出口壓降的實(shí)驗(yàn)與計(jì)算值對(duì)比Fig.6 Comparison of the pressure drop between the CFD results and the experimental data.

圖7 氣相的速度云圖Fig.7 Contour of velocity of the air.

圖8 混合相的軸向速度云圖Fig.8 Contour of velocity of the mixture in the axial direction.

圖9 混合相的徑向速度云圖Fig.9 Contour of velocity of the mixture in the radial direction.

2.4.2 壓力分布

由圖10可見，在收縮段由于流動(dòng)截面變小，流速增加，壓力減小，在喉部壓力基本保持不變，進(jìn)入擴(kuò)張段。從圖11可以看出，在氣泡發(fā)生器的收縮段出口以及在擴(kuò)張段入口，均出現(xiàn)了壓力梯度的峰值，而如圖12所示，在實(shí)驗(yàn)的高速攝像中測(cè)得氣泡碎化集中在距離擴(kuò)張段入口10 mm左右[6]，壓力梯度的峰值也恰巧在這個(gè)位置附近，說(shuō)明壓力的迅速回升可能加速了氣泡碎化的過(guò)程。

圖10 沿軸向的壓力分布Fig.10 Pressure distribution in the axial direction.

圖11 沿軸向的壓力梯度分布Fig.11 Pressure gradient distribution in the axial direction.

圖12 氣泡發(fā)生器氣泡碎化集中位置的測(cè)量Fig.12 Location of intensive breakup of bubbles in the bubble generator.

2.4.3 湍動(dòng)能分布

如圖13所示，在擴(kuò)張段入口產(chǎn)生了湍動(dòng)能的峰值，這個(gè)峰值是由于擴(kuò)張段截面面積突然增大以及氣液兩相的能量交換引起的。在實(shí)驗(yàn)中氣泡的碎化主要分布在離擴(kuò)張段入口10 mm左右，這與圖7中的湍動(dòng)能峰值位置相近，說(shuō)明強(qiáng)烈的湍動(dòng)能產(chǎn)生了強(qiáng)烈的剪切應(yīng)力，使氣液兩相彼此剪切，迅速破碎。

圖13 氣泡發(fā)生器沿流向的湍動(dòng)能分布Fig.13 Turbulent kinetic energy distribution along the flow direction in the bubble generator.

3 結(jié)語(yǔ)

本文在脫氣系統(tǒng)水實(shí)驗(yàn)回路實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模擬方法，運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型和多相流的混合模型，采用SIMPLEC算法進(jìn)行耦合求解，分析了沿氣泡發(fā)生器流動(dòng)方向的各斷面氣液兩相流場(chǎng)速度變化、壓力變化、湍動(dòng)能分布規(guī)律。

(1) 沿流向速度分布表明，高速運(yùn)動(dòng)的水流卷吸了喉部較低速度的氣相一起流動(dòng)，氣相速度迅速增大，沿壁面流動(dòng)，包圍位于中心區(qū)域的液相。在近擴(kuò)張段的入口處，兩相在徑向方向的速度梯度較大，但隨著氣泡的碎化及兩相的混合，徑向方向的速度趨于均勻。

(2) 壓力分布表明，在氣泡發(fā)生器近擴(kuò)張段的入口處出現(xiàn)了壓力梯度的峰值，與實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的氣泡集中碎化的位置相同，說(shuō)明壓力的迅速回升可能加速了氣泡碎化的過(guò)程。

(3) 湍動(dòng)能分布表明，近擴(kuò)張段的入口處湍動(dòng)能相對(duì)較大，較大的湍動(dòng)能表明氣液兩相能量交換強(qiáng)烈，強(qiáng)烈的湍流能產(chǎn)生強(qiáng)烈的剪切應(yīng)力，使氣液兩相彼此剪切、破碎，并充分混合。

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2 Hinze J O. Fundamentals of the hydrodynamic mechanism of splitting in dispersion processes[J]. American Institute of Chemical Engineers, 1955, 1(3): 289-295

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6 唐文偲, 閻昌琪, 孫立成, 等. 文丘里式氣泡發(fā)生器氣泡碎化特性研究[J]. 原子能科學(xué)技術(shù), 2014, 48(5): 845-848 TANG Wencai, YAN Changqi, SUN Licheng, et al. Characteristics of bubble breakup in venturi-type bubble generator[J]. Automic Energy Science and Technology, 2014, 48(5): 845-848

CLCTL334

Analysis of the operating characteristics of a Venturi-type bubble generator for MSR

JU Xiaofeng1SUN Licheng2TANG Wencai1YUN Hongyu1YAN Changqi1
1(Fundamental Science on Nuclear Safety and Simulation Technology Laboratory, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China) 2(College of Hydraulic and Hydra-electric Engineering, Sichuan University, Chengdu 610207, China)

Background: Bubble generator is a key device in the off-gas removal system of the molten salt reactor (MSR) for breaking up the carrier gas into tiny bubbles. Purpose: The distribution rules of velocity, pressure and turbulent kinetic energy along the flow direction of the Venturi bubble generator were analyzed with the software FLUENT. Methods: Based on the experimental water loop with the target bubble generator, numerical simulation using FLUENT was performed. Both the multiphase model (Mixture), standard k-ε turbulent model were adopted and the SIMPLEC method was employed to get the coupled solutions. Results: The distribution of velocity along the flow direction shows that the air is entrained by the water flew in the throat section and the air flew close to the wall of the generator. The speed of air is reduced significantly in the diverging portion of the bubble generator. The velocity gradient creates great shear stress, making the bubbles break up. The distribution of pressure shows that the peak of the pressure gradient appears at the entrance of the diverging portion of the bubble generator. The numerical results are very close to the data in the experiment, which indicates that the quick recovery of pressure may accelerate the breakup of bubble. The turbulent kinetic energy peaks at the entrance of the diverging portion of the bubble generator, which suggests that strong energy exchange there, resulting in strong shear stress to break up the bubbles. Conclusion: The large velocity gradient and the peak of turbulent kinetic energy at the entrance of the diverging portion of the bubble generator cause great shear stress, which is the reason for the bubble breakup taking place intensively there.

Molten salt reactor (MSR), Bubble generator, Bubble breakup, Numerical study

TL334

10.11889/j.0253-3219.2014.hjs.37.120605

項(xiàng)目(No.51376052)、 四川大學(xué)科研啟動(dòng)基金(No.YJ201432)資助

居曉峰，男，1989年出生，2012年畢業(yè)于南京工程學(xué)院，現(xiàn)為碩士研究生，研究方向?yàn)榉磻?yīng)堆熱工水力

孫立成，E-mail: leechengsun@sohu.com

2014-08-11，

2014-09-07