SP-100空間堆氣液分離器前導(dǎo)流區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計數(shù)值模擬研究

王佳偉，蘇德皓，趙愛虎，林紓?cè)?，李來冬，倪文?/p>

(1.中國原子能科學(xué)研究院反應(yīng)堆工程技術(shù)研究所，北京 102413；2.東北電力大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，吉林 吉林 132000)

空間核反應(yīng)堆電源具有壽命長、高比功率、高可靠性和不依賴于太陽光等優(yōu)點，是深空探測的理想選擇[1].液態(tài)金屬鋰密度小、沸點高，而且具有高熱容、高熱導(dǎo)率等優(yōu)點，可以降低空間堆質(zhì)量、減少循環(huán)功耗，是冷卻空間核反應(yīng)堆堆芯的良好工質(zhì).鋰回路空間堆可提供電功率達(dá)上百千瓦甚至兆瓦，它既可作空間核電源供航天器系統(tǒng)使用，也可作星表核電站為星球基地供能，是重要的大功率(電功率>50 kW)空間堆堆型，具有廣闊的應(yīng)用前景.國外一些知名的空間堆都采用了這種堆型，如SP-100(美國，電功率100 kW)、SNAP-50(美國，電功率350 kW)、RAPID-L(日本，電功率200 kW)、ERATO(法國，電功率200 kW)等.

然而，鋰?yán)淇臻g堆運(yùn)行時，堆內(nèi)中子與鋰持續(xù)發(fā)生反應(yīng)生成氦氣.隨著運(yùn)行時間加長，產(chǎn)生的氣體逐漸增多，過飽和度會逐漸增大，易形成氣泡.氣泡的形成、聚集會對空間堆的運(yùn)行十分不利，主要有：(1)氣體覆蓋在燃料棒表面，使其傳熱性能惡化，形成局部熱點，甚至損壞燃料棒；(2)氣體滯留于換熱器中，使其換熱效率變差，影響系統(tǒng)發(fā)電性能；(3)氣體使鋰導(dǎo)電性能變差，降低電磁泵性能，減小鋰流量[2].為了保障鋰?yán)淇臻g堆可靠運(yùn)行，國內(nèi)外在氣液分離方面做了很多研究，科羅廖夫能源火箭航天集團(tuán)設(shè)計了用于鋰?yán)淇臻g堆的氣液分離器，并開展了相關(guān)的鋰回路(回路溫度700 ℃～800 ℃)試驗研究[3]，Rockwell設(shè)計了適于鋰?yán)淇臻g堆除氦的分離器[4].美國德州農(nóng)工大學(xué)設(shè)計了可用于鋰?yán)淇臻g堆除氦的氣液分離器，已開展相關(guān)的水回路試驗研究、微重力試驗研究[5][6].美國SP-100項目確定了鋰?yán)淇於逊桨覆⒃O(shè)計了導(dǎo)葉篩網(wǎng)式氣液分離器，然后以水和空氣作為處理物料代替鋰和氦氣，在有重力的情況下對研制的樣機(jī)進(jìn)行了試驗研究[7].本文通過對國內(nèi)外空間堆氣液分離技術(shù)的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，氣液分離器具有不受重力影響、非能動、可儲存分離后氣體等優(yōu)點，研制氣液分離器是解決鋰?yán)淇臻g堆產(chǎn)氣問題的趨勢.

本文以典型的SP-100導(dǎo)葉篩網(wǎng)式氣液分離器為研究對象,如圖1所示.該氣液分離器分為前導(dǎo)流區(qū)、分離區(qū)和后導(dǎo)流區(qū)三部分，如圖2所示.前導(dǎo)流區(qū)的結(jié)構(gòu)有兩層，外層是錐形的前殼體，內(nèi)層是錐形的前導(dǎo)流板，前殼體與前導(dǎo)流板之間是6個前導(dǎo)葉(預(yù)旋葉片).前導(dǎo)葉是周向均布的，每個前導(dǎo)葉都是內(nèi)側(cè)與前導(dǎo)流板連接固定，外側(cè)與前殼體連接固定，將流道分為6個獨(dú)立彎曲的通道，如圖3、圖4所示.偏轉(zhuǎn)角是當(dāng)導(dǎo)葉通過的軸向距離等于前導(dǎo)流板高度時導(dǎo)葉偏轉(zhuǎn)過的角度，可用來表示導(dǎo)葉偏轉(zhuǎn)程度，如圖5所示(忽略了前導(dǎo)葉厚度).

圖1 SP-100導(dǎo)葉篩網(wǎng)式分離器示意圖[8]

流體在離心慣性力的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，之后進(jìn)入主旋流部分，前錐角部分起到產(chǎn)生預(yù)旋、初步分離的作用.相關(guān)SP-100文獻(xiàn)中對前導(dǎo)流區(qū)部分的結(jié)構(gòu)只進(jìn)行了少量描述，無法確定前導(dǎo)流板、前殼體和前導(dǎo)葉的具體參數(shù).因此，本文初步構(gòu)建了SP-100導(dǎo)葉篩網(wǎng)式氣液分離器前導(dǎo)流區(qū)幾何模型，并在后續(xù)將開展兩相分離實驗.但是液態(tài)鋰物性活躍難以開展實驗驗證數(shù)值模擬結(jié)果.而且由于298K的水的表面張力系數(shù)為0.072 N/m，1 300 K的鋰的表面張力系數(shù)為0.265 N/m，是水的4倍左右，若是表面張力系數(shù)更小的水能夠阻擋氣體通過，順利完成氣液分離實驗，那么在實際工況中的液態(tài)鋰也能達(dá)到良好的氣液分離效果，因此本文將用水和空氣代替鋰和氦進(jìn)行數(shù)值模擬.在模擬中，通過分析其速度分布和壓力分布，發(fā)現(xiàn)前導(dǎo)流區(qū)存在影響氣液分離性能的流動分離現(xiàn)象，本文為解決這一問題，研究了不同參量的變化對導(dǎo)流特性的影響，提出了可行的優(yōu)化方向.

1 CFD計算

1.1 計算模型

模擬計算中選用的材料是水，常壓大氣環(huán)境條件下，水的密度為998.2 kg/m3，動力粘度ν為0.001 003 Pa·s，流體沿軸向方向進(jìn)入分離器內(nèi)部分離空間.連續(xù)相流場計算考慮重力的影響，設(shè)置參考壓力為大氣壓.

入口邊界條件為速度入口(Velocity-Inlet)邊界，以美國SP-100氣液分離器入口鋰的實際流速為基準(zhǔn)，采用相似性準(zhǔn)則確定替代工質(zhì)水的入口流速.慣性力和表面張力是氣液兩相分離中決定力學(xué)現(xiàn)象本質(zhì)的主要作用力，因此通過保證空氣-水和氦-鋰兩個流動的韋伯?dāng)?shù)相等來推得水的流速，最終確定水的入口速度1 m/s為典型工況.

出口邊界條件為壓力出口(Pressure-Outlet)邊界，壓力設(shè)置為0 Pa.壁面邊界條件全部采用ANSYS Fluent中默認(rèn)的Wall類型，即認(rèn)為無滲透、無滑移速度壁面.求解器選用PISO算法作為壓力和速度耦合的方法.壓力插值格式設(shè)置為“PRESTO!”；對于動量、湍流動能、湍流耗散率的插值格式，選用“二階迎風(fēng)”.

抽取進(jìn)口區(qū)和前導(dǎo)流區(qū)計算域如圖6所示，具體尺寸如表1所示.

表1 SP-100氣液分離器結(jié)構(gòu)參數(shù)

網(wǎng)格劃分使用ICEM軟件，前錐角部分采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，如圖7所示.在劃分網(wǎng)格的過程中，將進(jìn)口區(qū)和前導(dǎo)流區(qū)兩部分分別進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后裝配在一起.進(jìn)口區(qū)整體采用O-Block進(jìn)行切分，前導(dǎo)流區(qū)選擇先切割后旋轉(zhuǎn)的方案劃分網(wǎng)格，并且前導(dǎo)流區(qū)與進(jìn)口區(qū)交界面處采用Y-Block以提升網(wǎng)格質(zhì)量.

1.2 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

在保證計算精度的同時，要合理控制網(wǎng)格數(shù)量.圖8為不同網(wǎng)格數(shù)時，流體域壓降的變化圖.壓降ΔP可由公式(1)計算為

圖8 前導(dǎo)流區(qū)計算域網(wǎng)格無關(guān)性驗證

ΔP=Pin-Pout，

(1)

公式中：Pin為前導(dǎo)流區(qū)進(jìn)口截面平均壓力(Pa)；Pout為出口截面平均壓力(Pa).

從圖中可以看出，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到400萬之后，計算結(jié)果偏差不大，所以為節(jié)省計算資源，本算例的網(wǎng)格數(shù)為400萬，其中入口段網(wǎng)格數(shù)為160萬，旋流板部分網(wǎng)格數(shù)240萬.

1.3 流動特性分析

在前錐角部分導(dǎo)流葉片區(qū)，分離器的流道被6個葉片分割成了6個獨(dú)立彎曲的通道，如圖9所示.

圖9 旋流板導(dǎo)葉區(qū)流體域

通過分析相鄰葉片組成的流道中的流體的壓力、速度等參數(shù)分布，可以研究旋流部分流動特性并揭示氣泡被分離的機(jī)理，得到整個前錐角部分的流動特性.

“國無德不興，人無德不立?！薄皭蹏呛诵睦砟詈陀篮阒黝}，敬業(yè)是立身之基，誠信是處世之本，友善是行事之道?！?/p>

1.3.1 壓力場結(jié)果分析

截面上靜壓的數(shù)值差值反映了壓降的大小，其變化與速度變化有關(guān).導(dǎo)葉區(qū)流體域不同截面的靜壓分布云圖，如圖10所示.由50%葉高位置截面壓力分布云圖可以看出，在靠近葉片前緣(導(dǎo)流葉片凹側(cè))的位置處存在高壓區(qū).在葉片前緣指向葉片后緣的方向上，壓力整體上呈現(xiàn)出減小的趨勢，這是因為導(dǎo)流葉片的存在使流體發(fā)生預(yù)旋，并且有離心方向的運(yùn)動.由葉片產(chǎn)生的離心力方向為葉片前緣指向葉片后緣，所以在這個方向上壓力有逐漸減小的趨勢.

圖10 進(jìn)口速度1 m/s時導(dǎo)葉區(qū)流體域不同截面壓力分布云圖

以進(jìn)口端截面為原點，垂直進(jìn)口區(qū)壁面方向為Y軸，選取Y=0截面得到其壓力分布云圖，可以看出，在旋流板進(jìn)口處，靜壓由正壓變?yōu)樨?fù)壓，存在較大的壓力梯度，并且此處的靜壓最低.由伯努利方程可知，流體的能量是守恒的，當(dāng)流體的動能增大，流體的壓力勢能就會減小，即等高流動時，流體的速度增大，壓力變小.在整個導(dǎo)流葉片區(qū)，壓力梯度整體上呈現(xiàn)出逆壓梯度，即從旋流板入口到出口，靜壓整體上逐漸增大.

1.3.2 速度場結(jié)果分析

入口速度為1 m/s工況下，50%葉高位置截面以及Y=0截面的速度矢量圖如圖11所示.由圖可知，在導(dǎo)流錐角、導(dǎo)流葉片的作用下，現(xiàn)有的模型結(jié)構(gòu)下，旋流部分的主要流動形式為沿著流道的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動.與此同時，也存在著渦流等次級流動.

圖11 入口速度為1 m/s時速度矢量圖

由50%葉高位置截面速度矢量圖可以看出，流體會在靠近葉片后緣的位置產(chǎn)生一定程度的渦流.由橫截面的速度矢量圖可以看出，在葉片區(qū)前端會產(chǎn)生一定程度的旋渦.

1.3.3 流動分離現(xiàn)象

根據(jù)前面對壓力場的分析并綜合速度場可知，在整個導(dǎo)流葉片區(qū)，流體處于增壓減速的狀態(tài)，并且在導(dǎo)流葉片區(qū)存在漩渦，究其原因是在導(dǎo)流葉片區(qū)存在流動分離的現(xiàn)象，流體流經(jīng)物體時，不再沿著物體表面流動，形成由大尺度的漩渦填充的分離區(qū).

流體沿導(dǎo)流葉片區(qū)的通道運(yùn)動時，在旋流板入口處的主流區(qū)附近會產(chǎn)生強(qiáng)烈的流動加速，通道內(nèi)速度達(dá)到峰值，并在此處形成負(fù)壓區(qū)，由壓力分布云圖可知，導(dǎo)葉區(qū)流動方向的壓力梯度大于零，則其與阻滯流體質(zhì)點運(yùn)動的粘性力作用在同一方向，同時，導(dǎo)流葉片區(qū)由于流道的擴(kuò)張增壓特性，主流區(qū)的流速從旋流板的入口到出口逐漸減小.這表明主流區(qū)為逆壓區(qū)(減速區(qū))，在逆壓區(qū)內(nèi)，流體將受到粘性力和逆壓力梯度的共同作用，結(jié)果使流體質(zhì)點動能逐漸減小而處于減速狀態(tài).在逆壓區(qū)內(nèi)，若慣性力不能克服流體受到的粘性力和逆壓力梯度共同阻滯作用，流體質(zhì)點的速度就可能降為零，此時，再后面的流體由于受到逆壓梯度的作用就會出現(xiàn)倒流，這些流體在來流的沖擊下被帶向下游而形成一些明顯的尺度比較大的旋渦；同時流體被擠向離開壁面較遠(yuǎn)的地方，使邊界層變厚.流動分離帶來的危害很多，例如增大流動損失、產(chǎn)生振動影響系統(tǒng)性能等.因此為了得到合理可行的前導(dǎo)流區(qū)結(jié)構(gòu)參數(shù)，必須進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計來解決流動分離問題.

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

導(dǎo)流葉片的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)有：葉片類型、重疊率、葉片進(jìn)口角β0、葉片偏轉(zhuǎn)角α等如圖12所示.在前期的模擬結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，如果前導(dǎo)流區(qū)導(dǎo)流葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計不合理，會在前導(dǎo)流區(qū)會發(fā)生流動分離的現(xiàn)象，產(chǎn)生旋渦并增加流動損失.

圖12 導(dǎo)流葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖

2.1 葉片進(jìn)口角

如圖13所示，葉片進(jìn)口角為葉片進(jìn)口切向與水平方向的夾角.

圖13 前導(dǎo)流區(qū)速度矢量圖

當(dāng)葉片進(jìn)口角過小或者過大，導(dǎo)致流體流動方向與葉片成很大角度，從而在流體接觸葉片后，無法在第一時間與葉片完全接觸，易在葉片前端發(fā)生流動分離如圖13(a)所示，所以應(yīng)盡量保證流體流動方向與葉片進(jìn)口角一致.葉片的進(jìn)口角為90°時，流體流動方向與葉片進(jìn)口角一致，此時流體進(jìn)入葉片流道時的局部壓力損失可以降到最小.

2.2 導(dǎo)流錐角

導(dǎo)流錐角為前錐形導(dǎo)流板兩條對稱母線的夾角.在保證前殼體底部與前導(dǎo)流板底部所圍成的環(huán)形流道的面積是入口流道面積的2倍的條件下，改變導(dǎo)流錐角的大小.在保證前錐角尾部環(huán)形面積不變的前提下，只有通過改變前錐角部分的長度來改變導(dǎo)流錐角的大小，不同的導(dǎo)流錐角，直接影響前錐角部分的流通面積，流通面積的大小進(jìn)而會影響流體流經(jīng)葉片時的速度大小和壓降的大小，從而影響分離器內(nèi)流體的流動.

因此，本文探究了前導(dǎo)流錐角對流動分離的影響.如表1所示，隨著導(dǎo)流錐角的增大，前導(dǎo)流區(qū)進(jìn)出口壓降增大，在保證流動充分偏轉(zhuǎn)、結(jié)構(gòu)合理的情況下，導(dǎo)流錐角盡可能減小.但是，隨著導(dǎo)流錐角的過小(錐角為80°)，前導(dǎo)流區(qū)的長度會增加，導(dǎo)致前導(dǎo)流區(qū)發(fā)生流動分離，由圖14(a)可以看出.由表2中可以看出，錐角為90°時，綜合效果較好.

表2 不同錐角度數(shù)下前導(dǎo)流區(qū)的壓降

圖14 前導(dǎo)流區(qū)速度矢量圖

2.3 葉片偏轉(zhuǎn)角

前導(dǎo)葉偏轉(zhuǎn)角為從前導(dǎo)流板頂部到前導(dǎo)流板底部，前導(dǎo)葉在周向上所偏轉(zhuǎn)過的角度.葉片偏轉(zhuǎn)角對兩相分離至關(guān)重要，在同樣的軸向距離上，角度越大則葉片越長，流體流動的距離越長，這樣既可以使得液體能更好的貼近壁面，也降低壓力梯度，更有利于避免流動分離.但是，與增大導(dǎo)流錐角一樣，偏轉(zhuǎn)角過大也會增大壓降[9].在保證前殼體底部與前導(dǎo)流板底部所圍成的環(huán)形流道面積與進(jìn)口流道面積成一定比例條件下，以及前導(dǎo)流板錐角為90°不變的情況下，改變前導(dǎo)葉偏轉(zhuǎn)角的大小，計算得出的速度矢量如圖15所示.

圖15 不同偏轉(zhuǎn)的前導(dǎo)流區(qū)速度矢量圖

如圖15(a)和圖15(b)所示，前導(dǎo)葉偏轉(zhuǎn)角為60°和90°時，前導(dǎo)流區(qū)會出現(xiàn)漩渦.如圖15(c)和圖15(d)所示，前導(dǎo)葉偏轉(zhuǎn)角為120°和150°時，前導(dǎo)流區(qū)不會出現(xiàn)漩渦.但是如表3所示，前導(dǎo)葉偏轉(zhuǎn)角為150°時，會使前導(dǎo)流區(qū)壓降較大.所以，選擇前導(dǎo)葉偏轉(zhuǎn)角為120°綜合效果較好.

表3 不同偏轉(zhuǎn)角的前導(dǎo)流區(qū)壓降

3 結(jié) 論

本文以水替代鋰，空氣代替氦氣，通過數(shù)值模擬對美國SP-100導(dǎo)葉篩網(wǎng)式氣液分離器前導(dǎo)流區(qū)進(jìn)行了流動特性研究，分別分析了前錐角部分主旋流部分的速度場以及壓力場，主要有以下結(jié)論：

(1)通過對前錐角部分的單相模擬可以看出，流體在前錐角部分的流道內(nèi)做增壓減速運(yùn)動，現(xiàn)有結(jié)構(gòu)下，容易出現(xiàn)流動分離現(xiàn)象，產(chǎn)生漩渦，并增大流動損失.

(2)從葉片進(jìn)口角、導(dǎo)流錐角和葉片偏轉(zhuǎn)角等方面分析了分離器結(jié)構(gòu)參數(shù)對流動分離的影響.經(jīng)過綜合分析，初步確定，在葉片進(jìn)口角為90°、前導(dǎo)流錐角為90°，葉片偏轉(zhuǎn)角為120°時，可以避免出現(xiàn)流動分離現(xiàn)象，并且能夠盡可能地較小壓降，有利于提升氣液分離器性能.