旋風(fēng)分離器內(nèi)濕蒸汽兩相流動(dòng)分析

張美鳳， 常重喜， 納紅衛(wèi)， 馬喜強(qiáng)， 顏令博

(1. 浙江科路核工程服務(wù)有限公司，浙江嘉興 314300； 2. 華能山東石島灣核電有限公司，山東威海 264200； 3. 上海核工程研究設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200233)

常規(guī)凝汽式機(jī)組汽輪機(jī)低壓缸末幾級(jí)及壓水堆核電站機(jī)組汽輪機(jī)全部級(jí)組都在濕蒸汽區(qū)工作。隨著蒸汽濕度的增加，濕蒸汽使汽輪機(jī)效率降低，濕蒸汽中的液滴使汽輪機(jī)動(dòng)葉片受到磨損[1-2]。因此，對(duì)進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽進(jìn)行汽水分離，從而提高蒸汽品質(zhì)顯得至關(guān)重要，不僅可以保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，還可以提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。

為了保證動(dòng)力設(shè)備的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)前必須進(jìn)行汽水分離。汽水分離原理的不同，分離器的結(jié)構(gòu)也各不相同。工程中采用的汽水分離裝置有波形板汽水分離器和旋風(fēng)分離器。旋風(fēng)分離器是汽液兩相分離中常用的裝置之一，它利用汽液兩相受到的離心力不同來(lái)進(jìn)行分離。帶有液滴的濕蒸汽進(jìn)入旋風(fēng)分離器后，在旋風(fēng)分離器內(nèi)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)的蒸汽使得液滴受到離心力作用運(yùn)動(dòng)到錐體內(nèi)壁，沿壁面下滑，進(jìn)而從旋風(fēng)分離器底部出口排出。下旋蒸汽因自身的黏滯性，逐步發(fā)展成為類(lèi)似剛體旋轉(zhuǎn)的氣流，當(dāng)氣流到達(dá)旋風(fēng)分離器端部時(shí)因不能繼續(xù)下旋而折轉(zhuǎn)方向，最終從旋風(fēng)分離器上部出口排出[3-4]。筆者采用FLUENT計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值模擬分析軟件對(duì)旋風(fēng)分離器內(nèi)汽液兩相流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，總結(jié)旋風(fēng)分離器內(nèi)汽液兩相流動(dòng)規(guī)律，以進(jìn)一步提高旋風(fēng)分離器內(nèi)汽水分離效率。

1 旋風(fēng)分離器的工作原理

切向進(jìn)汽的旋風(fēng)分離器，其分離原理為篩分理論(平衡軌道理論)[5-6]。在旋風(fēng)分離器內(nèi)，液滴在徑向受到向外的離心力；同時(shí)，液滴隨高速旋轉(zhuǎn)的蒸汽盤(pán)旋，又受到向心流場(chǎng)的空氣曳力。這兩種力的方向相反,液滴能否被分離取決于這兩種力的大小。

在旋風(fēng)分離器中，液滴受到的離心力和空氣曳力為：

(1)

FS=6πμurdp

(2)

式中：FD為離心力；ρp為液滴的密度；ur為液滴速度；r為旋轉(zhuǎn)半徑；dp為液滴半徑；FS為空氣曳力；μ為液滴的黏度。

液滴所受的離心力和液滴的大小有關(guān)，即液滴粒徑D越大，離心力也就越大。因此，對(duì)于液滴必然有一個(gè)臨界粒徑Dc：當(dāng)D>Dc時(shí)，液滴所受向外的力大于向內(nèi)的力，液滴將向旋風(fēng)分離器外壁面移動(dòng)，最終被分離；當(dāng)D

2 汽液兩相流動(dòng)數(shù)值計(jì)算

2.1 汽液兩相流動(dòng)控制方程

旋風(fēng)分離器內(nèi)是復(fù)雜的汽液兩相流動(dòng)，在數(shù)值模擬時(shí)要將兩相流動(dòng)分開(kāi)研究，不考慮液相與汽相之間的相互作用，采用非耦合模型，在拉格朗日坐標(biāo)系下跟蹤并模擬液滴的運(yùn)動(dòng)軌跡[7]。在計(jì)算旋風(fēng)分離器汽相流場(chǎng)時(shí)，先假定流場(chǎng)中不存在液相，只把流體當(dāng)作連續(xù)介質(zhì)，在歐拉坐標(biāo)系中處理連續(xù)的流體相，從而得到單獨(dú)的汽相流場(chǎng)；在處理液相時(shí)，采用分散介質(zhì)模型，基于汽相流場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果和作用在液滴上的曳力和其他作用力，在拉格朗日坐標(biāo)系下把液滴作為離散介質(zhì)處理，模擬得到液滴的運(yùn)動(dòng)軌跡。

2.1.1 汽相流動(dòng)控制方程

旋風(fēng)分離器中的蒸汽流動(dòng)是三維強(qiáng)旋轉(zhuǎn)湍流流動(dòng)，假定旋風(fēng)分離器內(nèi)的流動(dòng)為恒溫、不可壓縮流動(dòng)，模擬其內(nèi)部的流動(dòng)首先需要建立湍流基本方程組，即連續(xù)性方程和N-S方程。連續(xù)性方程為：

(3)

式中：ui為流體在i方向的速度；xi為流體在i方向的空間坐標(biāo)。

N-S方程為：

(4)

式中：ρ為流體密度；p為流體壓力；xj為流體在j方向的空間坐標(biāo)；uj為流體在j方向的速度；δij為流體黏性系數(shù)。

(5)

(6)

式中：t為時(shí)間；k為湍動(dòng)能；ε為耗散率；σk為湍流Prandtl數(shù)；μeff為有效速度；Prσ為有效普朗特?cái)?shù)；Gk為由于平均速度梯度產(chǎn)生的湍動(dòng)能。

2.1.2 液相流動(dòng)控制方程

為了研究液滴的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，需要建立其運(yùn)動(dòng)方程，計(jì)算并跟蹤液滴的運(yùn)動(dòng)軌跡。采用基于拉格朗日坐標(biāo)系下的隨機(jī)軌道模型來(lái)模擬液滴的運(yùn)動(dòng)軌跡[9, 11]。該模型忽略相變過(guò)程，單顆液滴的運(yùn)動(dòng)方程可通過(guò)牛頓第二定律表示，即

(7)

液滴在湍流場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生擴(kuò)散，若對(duì)其加以考慮，則液滴在拉格朗日坐標(biāo)系中的運(yùn)動(dòng)方程為：

(8)

式中：up為X軸方向的速度；vp為Y軸方向的速度；wp為Z軸方向的速度；τ為液滴松弛時(shí)間；u、v、w分別為三個(gè)坐標(biāo)方向氣流的平均速度；u′、v′、w′分別為三個(gè)坐標(biāo)方向氣流的隨機(jī)脈動(dòng)速度。

假定汽相湍流場(chǎng)是局部均勻且各向同性的，則

(9)

將計(jì)算得出的液滴速度進(jìn)行積分即可得到液滴的運(yùn)動(dòng)軌道。

2.2 幾何模型的建立

旋風(fēng)分離器的幾何模型見(jiàn)圖1。采用GAMBIT前處理器分區(qū)域生成三維多塊網(wǎng)格，計(jì)算區(qū)域分為環(huán)形筒體、圓柱段分離空間、圓錐段分離空間、進(jìn)汽管道部分和出汽管道部分5個(gè)區(qū)域，其中出汽管道用Pave法生成非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，其余部分劃分為結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格(見(jiàn)圖2)。

圖1 旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 出汽管道橫截面網(wǎng)格和計(jì)算域內(nèi)三維網(wǎng)格

2.3 計(jì)算模型和邊界條件的處理

旋風(fēng)分離器中的蒸汽流動(dòng)是三維湍流強(qiáng)旋流流動(dòng)，所以控制方程中必然要引入湍流模型。選擇考慮了旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的RNGk-ε模型對(duì)汽相流場(chǎng)進(jìn)行模擬，從而提高計(jì)算的精度。使用標(biāo)準(zhǔn)的壁面函數(shù)法來(lái)計(jì)算壁面的切應(yīng)力，并選Swirl dominated flow選項(xiàng)，考慮流動(dòng)中的旋流。

采用高精度QUICK差分格式對(duì)湍流方程和動(dòng)量方程進(jìn)行離散處理；壓力方程式用PRESTO格式離散，可以很好地給出切向速度分布；為提高收斂速度，采用非交錯(cuò)網(wǎng)格下的SIMPLEC算法進(jìn)行數(shù)值求解。

旋風(fēng)分離器入口設(shè)為速度入口，速度設(shè)為30 m/s。排汽口處的湍流已充分發(fā)展，設(shè)為自由流出口。壁面采用無(wú)滑移邊界條件，粗糙度為0.5。工作壓力設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。液滴的密度為1 000 kg/m3，從旋風(fēng)分離器入口均勻噴射，速度與汽相速度相等；當(dāng)液滴運(yùn)動(dòng)到壁面時(shí)，認(rèn)為液滴被反射回來(lái)參與下一個(gè)旋轉(zhuǎn)的計(jì)算，設(shè)壁面離散相(DPM)邊界條件為反射(REFLECT)；液滴運(yùn)動(dòng)到排汽口時(shí)便從出口逃逸，設(shè)出口DPM邊界條件為逃逸(ESCAPE)。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

不同橫截面處速度矢量及中心縱截面速度矢量見(jiàn)圖3。由圖3可以看出：蒸汽進(jìn)入旋風(fēng)分離器后，在壁面的約束下形成向下的外層渦旋流動(dòng)，當(dāng)蒸汽到達(dá)旋風(fēng)分離器底部時(shí)，蒸汽又向上形成內(nèi)部的渦旋流。由此可知，旋風(fēng)分離器內(nèi)的蒸汽為外部向下旋轉(zhuǎn)而內(nèi)部向上旋轉(zhuǎn)的方向相同的雙層流。在旋風(fēng)分離器的中心形成汽柱，其速度低于外層氣流。旋風(fēng)分離器上游區(qū)域的速度分布對(duì)稱(chēng)性較差，隨著進(jìn)汽口速度的增大，越趨向于下游，速度分布的對(duì)稱(chēng)性越好。

圖3 速度矢量分布

在主流區(qū)還伴隨很多二次流現(xiàn)象。由圖3(b)可以看出：部分蒸汽進(jìn)入旋風(fēng)分離器后，在環(huán)形空間內(nèi)沿壁面向上流動(dòng)，當(dāng)碰到上頂板時(shí)，就沿著出汽管道外壁向下，這樣在環(huán)形空間內(nèi)就形成了一種內(nèi)部縱向環(huán)流，使部分液滴被氣流帶到頂板而無(wú)法分離。氣流沿出汽管道外壁下落會(huì)導(dǎo)致末端進(jìn)口的徑向速度增大，因此會(huì)有一小部分蒸汽從進(jìn)汽口進(jìn)入后直接從出汽管道排出，其中會(huì)夾帶一部分液滴，使分離效率下降。

切向速度在旋風(fēng)分離器內(nèi)的液滴分離中占主導(dǎo)地位，液滴在切向速度的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，在離心力的作用下甩向壁面而被分離出來(lái)；離心力越大，分離效果越好。

旋風(fēng)分離器的結(jié)構(gòu)使得蒸汽在流動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)動(dòng)半徑逐漸減小，角速度逐漸增大，切向速度也逐漸增大；而在漩渦的中心部分，切向速度又逐漸趨于零。

旋風(fēng)分離器內(nèi)切向速度的分布見(jiàn)圖4。

圖4 切向速度云圖

由圖4可以看出：蒸汽進(jìn)入旋風(fēng)分離器后開(kāi)始加速，達(dá)到圓柱段時(shí)速度已經(jīng)達(dá)到入口蒸汽速度的2倍，隨后繼續(xù)加速，并且在轉(zhuǎn)彎處達(dá)到最大。隨著氣流沿筒壁的繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，進(jìn)入錐形段后切向速度逐漸降低，中心汽柱的切向速度明顯比外層渦旋氣流的速度低?？傮w來(lái)說(shuō)，絕大部分氣流的切向速度都是負(fù)值，但也有小部分流體的切向速度為正值，這也可以說(shuō)明流動(dòng)中出現(xiàn)了二次流。

旋風(fēng)分離器內(nèi)部氣流強(qiáng)烈的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)使得壓降問(wèn)題很復(fù)雜。旋風(fēng)分離器內(nèi)部的壓降包括：進(jìn)汽管道的摩擦損失，氣體進(jìn)入旋風(fēng)分離器后流動(dòng)空間突然加大造成的能量損失，旋風(fēng)分離器內(nèi)氣體旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的動(dòng)能損耗，氣體在旋風(fēng)分離器中與壁面摩擦所引起的能量損失，進(jìn)入排汽管道時(shí)流道突然縮小造成的能量損失等。旋風(fēng)分離器內(nèi)中心縱向截面的壓力分布見(jiàn)圖5～圖7。

圖5 靜壓分布云圖

圖6 動(dòng)壓分布云圖

圖7 總壓分布云圖

在強(qiáng)旋流中，靜壓一般主要取決于切向速度。由圖5可以看出:靜壓分布沿軸線(xiàn)表現(xiàn)出很好的對(duì)稱(chēng)性。隨著旋轉(zhuǎn)半徑的減小，壓強(qiáng)逐漸降低，中心軸線(xiàn)附近處的靜壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于入口，即旋風(fēng)分離器內(nèi)外旋流的壓強(qiáng)較高，內(nèi)旋流的壓強(qiáng)較低。旋風(fēng)分離器底部出口為真空狀態(tài)，容易出現(xiàn)氣流的滯留和回流現(xiàn)象，外部氣體也很容易被吸入旋風(fēng)分離器內(nèi)，對(duì)分離造成很大的影響。

由動(dòng)壓方程可知，在流體密度不變的情況下，動(dòng)壓的分布實(shí)際上反映了氣流速度的分布。氣流速度為切向速度、軸向速度和徑向速度的合速度，切向速度在合速度中起主要作用。因此，動(dòng)壓的分布與切向速度的分布趨勢(shì)比較接近。旋風(fēng)分離器的旋轉(zhuǎn)氣流是由外漩渦以加速方式流向內(nèi)漩渦構(gòu)成的，這個(gè)流動(dòng)過(guò)程符合動(dòng)量矩守恒原理或者角動(dòng)量守恒原理。氣流在旋風(fēng)分離器內(nèi)的流動(dòng)是一個(gè)靜壓轉(zhuǎn)換成動(dòng)壓的過(guò)程，表現(xiàn)為靜壓逐漸降低、動(dòng)壓逐漸升高[9]。

總壓是靜壓和動(dòng)壓之和，比較圖5和圖6可以看出，總壓與靜壓的分布類(lèi)似。根據(jù)伯努利方程，在溫度相等的情況下，總壓所反映的是流體總的可用能量，總壓的降低意味著流體能量的損失。由圖7可以看出，在旋風(fēng)分離器中心部分，壓強(qiáng)很小，能量損失很大。

在上述計(jì)算所得到的汽相流場(chǎng)中直接加入不同粒徑的液滴，模擬其運(yùn)動(dòng)軌跡，結(jié)果見(jiàn)圖8。

圖8 不同粒徑液滴的運(yùn)動(dòng)軌跡

由圖8(a)可以看出：粒徑為1 μm的液滴隨氣流的追隨性較好，從噴射的入口處隨氣流一起向下運(yùn)動(dòng)，部分液滴到達(dá)錐形灰斗后又隨內(nèi)部的上升氣流螺旋上升，從排汽管道排出；但有部分液滴在沒(méi)有到達(dá)底部時(shí)就隨內(nèi)旋氣流上升并直接從排汽管道排出，這是由旋風(fēng)分離器內(nèi)部的二次流現(xiàn)象決定的。

對(duì)比圖8(b)和圖8(c)可以看出：粒徑為5 μm的液滴在離心力的作用下被甩向壁面，部分沿壁面螺旋下滑至旋風(fēng)分離器底部錐形灰斗，從而被分離出來(lái)；粒徑為10 μm的液滴在旋風(fēng)分離器的環(huán)形空間的頂部做圓周運(yùn)動(dòng)，形成了灰頂環(huán)，液滴不能被分離出來(lái)。

4 結(jié)語(yǔ)

濕蒸汽問(wèn)題由來(lái)已久，尤其是核電汽輪機(jī)蒸汽濕度比較大，為了保證汽輪機(jī)的安全高效運(yùn)行，必須對(duì)濕蒸汽進(jìn)行汽水分離，旋風(fēng)分離器利用汽液兩相不同的離心力來(lái)進(jìn)行分離。

模擬得到了旋風(fēng)分離器內(nèi)的液滴運(yùn)動(dòng)軌跡，分析表明，小粒徑的液滴隨氣流的追隨性較好，會(huì)從排汽口排出，分離效率較低；臨界粒徑的液滴將會(huì)在離心力的作用下被甩向壁面從而被分離出來(lái)；過(guò)大粒徑的液滴會(huì)在旋風(fēng)分離器的環(huán)形空間頂部做圓周運(yùn)動(dòng)，液滴不能被分離出來(lái)。

旋風(fēng)分離器內(nèi)部的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，模擬計(jì)算中容易出現(xiàn)二次流現(xiàn)象，影響分離結(jié)果。通過(guò)控制蒸汽的入口流速可以有效減小或者避免二次流的影響，從而達(dá)到較好的分離效果。