波形板汽水分離器流場的計算模擬

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(哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150046)

0 引 言

目前，汽水分離再熱器(MSR)廣泛應(yīng)用波形板進(jìn)行汽水分離。波形板汽水分離器可以分離蒸汽中的水分，當(dāng)汽流攜帶著微小液滴在波形板構(gòu)成的通道內(nèi)作曲線運動，由于離心力、慣性力以及附著力的作用，水滴不能隨汽流偏轉(zhuǎn)而撞擊波形板壁面，離開波形板。波形板汽水分離器對MSR的安全性和經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生很大的影響，根據(jù)相關(guān)研究[1-2]，通過MSR汽水分離對蒸汽進(jìn)行除濕及加熱，可以提高汽輪機(jī)機(jī)組熱耗2.2%～2.4%，波形板汽水分離器是MSR的關(guān)鍵部件，因此對波形板汽水分離器的速度和壓力分布進(jìn)行數(shù)值模擬是十分必要的。

文中對不同波形板汽水分離器進(jìn)行了整體的三維數(shù)值模擬，對波形板汽水分離器的速度分布、壓降分布等情況進(jìn)行了分析。分析了流經(jīng)波形板汽水分離器壓力損失較大的區(qū)域，為降低壓力損失進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，從而提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)性具有指導(dǎo)意義。

1 計算模型

為了對波形板分離器的計算進(jìn)行簡化，假設(shè)條件如下：

(1)由于重力及浮升力垂直于流動方向，不考慮重力及浮升力。

(2)熱態(tài)計算中，汽水兩相為飽和狀態(tài)，蒸汽和水滴之間無換熱，蒸汽和水滴不發(fā)生相變。

(3)定常流動，汽相不可壓。

(4)采用離散相模型，蒸汽或空氣是連續(xù)相，水滴為離散相。

(5)忽略散熱損失。

FLUENT 提供了以下湍流模型[3]：Spalart-Allmaras 模型、k-ε模型(包括標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、Renormalization-group (RNG)k-ε模型、帶旋流修正的Realizablek-ε模型)、k-ω模型(包括標(biāo)準(zhǔn)k-ω模型、壓力修正k-ω模型)、雷諾應(yīng)力模型和大漩渦模擬模型等。值得指出的是，上述模型中沒有一個湍流模型對于所有問題都表現(xiàn)出絕對明顯的適用性。選擇模型時主要考慮以下幾點：流體是否可壓、流場的復(fù)雜性、精度的要求、計算機(jī)的能力和時間的限制等。

標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型自從被Launder and Spalding提出之后，由于其具有適用范圍廣、經(jīng)濟(jì)、合理的精度，所以在工程流場計算中和熱交換模擬中被廣泛應(yīng)用。但對于波形板汽水分離器，由于流場存在著強(qiáng)烈的流線彎曲，標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型很難滿足要求。

標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型是個半經(jīng)驗的公式，它是從實驗現(xiàn)象中總結(jié)出來的。研究者在確定了k-ε模型適用的范圍后，通過對其進(jìn)行改造，發(fā)展了RNGk-ε模型和帶旋流修正的k-ε模型(Realizablek-ε模型)。

RNGk-ε模型來源于嚴(yán)格的統(tǒng)計技術(shù)。它和標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型很相似，但是有以下改進(jìn)：

(1)RNG模型在ε方程中加了一個修正項，有效的改善了精度。

(2)考慮了湍流漩渦，提高了精度。

(3)RNG理論為湍流Prandtl數(shù)提供了一個解析公式，然而標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型使用的是用戶提供的常數(shù)。

(4)標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型是一種高雷諾數(shù)的模型，RNG理論提供了一個考慮低雷諾數(shù)流動粘性的解析公式。通過精確處理近壁條件，RNGk-ε模型比標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型在更廣泛的流動中具有更高的可信度和精度。

2 近壁面處理

湍流流動受壁面的影響很大。與主流方向的湍流脈動不一樣，在離壁面很近的地方，粘性耗散將抑制流體沿壁面平行方向的速度脈動，同時湍流動能的傳輸由于受到壁面的阻礙也抑制了流體垂直于壁面方向的速度脈動。所以對于僅適用于湍流核心區(qū)域(一般都遠(yuǎn)離壁面)的k-ε模型，應(yīng)該考慮怎樣使它也適用于壁面邊界層處的流動。由于近壁區(qū)域的速度分布存在較大的梯度，而且還存在著旺盛的湍流動能、耗散等的傳輸現(xiàn)象，因此，準(zhǔn)確的求解近壁區(qū)域的流場是成功模擬波形板內(nèi)湍流流動的關(guān)鍵條件。

近壁區(qū)域大體可以分為三層，最靠近壁面的那一層，粘性起到主導(dǎo)作用，呈現(xiàn)為層流的流態(tài)，因此稱為粘性子層；最外的一層，湍流起到主導(dǎo)作用，稱為完全湍流層；而在這兩者之間，粘性和湍流共同起作用，稱為過渡層。

通常，近壁面區(qū)域建?？梢圆捎脙煞N方法。第一種方法并不對受粘性力影響的區(qū)域(粘性子層及過渡層)劃分網(wǎng)格，即避開近壁面處的粘性底層和液膜相的復(fù)雜計算，把第一個節(jié)點布置到旺盛的湍流區(qū)內(nèi)。這種方法通常采用被稱為“壁面函數(shù)”的半經(jīng)驗公式。壁面函數(shù)的運用能夠很好地修正湍流模型，從而解決壁面的存在對流動的影響。另一種方法中，湍流模型被修正，從而使壁面處受粘性力影響的區(qū)域也需要用網(wǎng)格來劃分計算，這種方法被稱為“近壁面模型”法。

對于大多數(shù)高雷諾數(shù)的流動，壁面函數(shù)法能充分節(jié)省計算資源，這種方法經(jīng)濟(jì)，實用而且很精確，很受歡迎。然而對于所求解的波形板汽水分離問題，需要精確求解出壁面附近包括層流底層的流動，這樣才能夠為后面研究氣場對液膜行為的影響以及近壁液滴的行為奠定堅實的基礎(chǔ)。

圖1 Fluent中的近壁面處理

增強(qiáng)壁面處理是一種近壁面模型方法，它將增強(qiáng)壁面函數(shù)和雙層模型相結(jié)合來進(jìn)行近壁面處理。在FLUENT 的近壁面模型中，有粘性影響的近壁面區(qū)域總是完全地當(dāng)作粘性底層來處理。雙層模型方法是增強(qiáng)壁面處理的一個不可缺少的部分，它被用來指定近壁面單元格的湍流粘性和耗散率。此時，整個流場區(qū)域被分為一個主要受粘性影響的層流區(qū)域和一個完全的湍流區(qū)域。在建立雙層模型后，要想將其應(yīng)用范圍拓展到貫穿整個近壁面區(qū)域(即包括層流邊界子層、過渡層和完全的湍流層)，需要對整個壁面區(qū)域擬定統(tǒng)一的壁面規(guī)則。為此，F(xiàn)LUENT 采用了一個由Kader提出的增強(qiáng)壁面函數(shù)，將線性的層流邊界子層和對數(shù)的湍流壁面規(guī)則結(jié)合起來，從而為精確求解整個湍流邊界層提供了巧妙的解決辦法。

3 網(wǎng)格劃分

采用gambit軟件，首先根據(jù)波形板的尺寸建立幾何模型，取兩塊波形板之間的空間為計算域，可以初步劃分網(wǎng)格。考慮到流道結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，采用了非結(jié)構(gòu)化的四邊形單元格、Pave算法來生成網(wǎng)格。在Fluent 中非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格特征的兩個重要優(yōu)點是：

(1)跟結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相比減少創(chuàng)建時間。

(2)不會帶來因插入新的網(wǎng)格點而使其他網(wǎng)格計算品質(zhì)變壞，這個性質(zhì)對于后面利用Fluent的自適應(yīng)調(diào)整功能來優(yōu)化網(wǎng)格是非常重要的。

采用初步生成的網(wǎng)格進(jìn)行模擬計算并不能實現(xiàn)良好的計算精確度和網(wǎng)格無關(guān)性。由于時均流和湍流的強(qiáng)烈相互作用，使得湍流流動的數(shù)值結(jié)果比層流流動更依賴于網(wǎng)格的劃分。

雖然增強(qiáng)壁面處理能夠拓展到精確求解湍流邊界下層的粘性子層，但是也必須要在近壁面的區(qū)域，構(gòu)造出足夠細(xì)的網(wǎng)格，以便能夠分辨出這一薄薄的粘性子層。因此，在采用增強(qiáng)壁面處理時，近壁面處的網(wǎng)格劃分必須滿足以下條件：

(1)緊鄰壁面的單元格滿足y+≈1。

(2)為了能夠求解出近壁區(qū)域內(nèi)的時均速度和湍流度，在有粘性影響的近壁面區(qū)域(Rey<200)內(nèi)至少有10 個單元格。

圖2 波形板局部在自適應(yīng)調(diào)整前后網(wǎng)格劃分的變化

以上過程可以通過Fluent軟件針對y+的網(wǎng)格自適應(yīng)功能來調(diào)整近壁面處網(wǎng)格的劃分。該功能使得能夠根據(jù)數(shù)值計算的結(jié)果來修改網(wǎng)格疏密布置或網(wǎng)格走向。網(wǎng)格的自適應(yīng)性能夠充分地利用計算資源來優(yōu)化網(wǎng)格，可以在現(xiàn)有的網(wǎng)格上直接根據(jù)計算結(jié)果來進(jìn)行網(wǎng)格優(yōu)化，而不需要每次都重新生成網(wǎng)格，這樣可以大大縮短計算周期。但這也并不意味著Fluent的網(wǎng)格自適應(yīng)功能是萬能的，仍然需要保證最初生成的網(wǎng)格能夠充分體現(xiàn)流場的幾何特征。圖4給出了針對y+采用自適應(yīng)調(diào)整后，波形板局部在近壁處網(wǎng)格劃分變化的例子。從圖中可以看出，經(jīng)過自適應(yīng)調(diào)整后，在壁面上的網(wǎng)格劃分變細(xì)了。

5 模擬結(jié)果分析

在模擬計算中[4]，采用k-epsilon Realizable模型，近壁面處理采用 Enhanced Wall Treatment。求解器中的壓力離散格式采用“PRESTO!”，其余動量項采用“Second Order Upwind”。在求解過程中，采用Yplus最大值為2的網(wǎng)格自適應(yīng)策略細(xì)化近壁面的網(wǎng)格。

針對板型1的流道仿真計算結(jié)果如圖3所示，通過流道的蒸汽壓降為880 Pa，計算初始網(wǎng)格數(shù)49621。

針對板型2維流道仿真計算結(jié)果如圖4所示，通過流道的蒸汽壓降為420 Pa，計算初始網(wǎng)格數(shù)49621。

針對板型3的流道仿真計算結(jié)果如圖5所示，通過流道的蒸汽壓降為200 Pa，計算初始網(wǎng)格數(shù)60485。

圖6、7、8顯示沿著流動方向和高度方向三維流道的流場示意圖。

圖3 板型1的流道模擬流場示意圖

圖4 板型2的流道模擬流場示意圖

圖5 板型3的流道模擬流場示意圖

圖6 板型1的三維流道的流場示意圖

圖7 板型2的三維多流道組件流場示意圖

圖8板型3的三維多流道組件流場示意圖

4 結(jié) 語

文中建立了波形板汽水分離器的整體計算模型，給出了合理邊界條件進(jìn)行三維數(shù)值模擬，結(jié)論如下：

(1)確定了湍流模型和近壁面的處理方法，對求解技術(shù)、流動區(qū)域的網(wǎng)格劃分技術(shù)進(jìn)行了分析和探討，獲得了比較合理的求解方法和網(wǎng)格劃分方法。

(2)對不同板型的波型板汽水分離器進(jìn)行了數(shù)值模擬，獲得了流場分布。

(3)波形板汽水分離器中間區(qū)域速度分布較為均勻，速度數(shù)值大小相近；而在波形板汽水分離器入口區(qū)域的速度分布不均勻，流場較為復(fù)雜。

(4)在波形板汽水分離器入口處，由于蒸汽通過彎曲殼板所產(chǎn)生的離心力導(dǎo)致進(jìn)入分離板的循環(huán)蒸汽速度不一致而出現(xiàn)底部速度偏大上部速度偏小的現(xiàn)象，最大速度值大約是整體平均速度值的2倍。

因此，對波形板汽水分離器入口進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可以有效地降低循環(huán)蒸汽壓力損失，從而會帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 李志剛，孫麗萍，劉嘉新.熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].森林工程，2013，29(4)：90-95+160.

[2] Issaku Fujita, Teruaki Sakata, Toshiki Kojima. Development of Large Size Moisture Separator Reheater for Up to 1700 MW PMR Class.2010.

[3] Ansys12.0. Ansys Fluent 12.0 User’s Guide.2009.

[4] 華中科技大學(xué).MSR汽水分離研究結(jié)題報告[R].2010.