萬 潔,孫 皖,李 想,朱隆祥,馬在勇,張盧騰,潘良明
基于CFD的豎直圓管內(nèi)空氣-水逆向流動界面行為研究
萬潔1,2,孫皖1,*,李想1,2,朱隆祥1,2,馬在勇1,2,張盧騰1,2,潘良明1,2
(1. 重慶大學低品位能源利用技術及系統(tǒng)教育部重點實驗室,重慶 400044; 2. 重慶大學核工程與核技術系,重慶 400044)
為研究空氣-水逆向流動局部特性,本文基于VOF(volume of fluid)模型對=25 mm的圓管中氣液逆向流動過程中界面波的演變開展了數(shù)值計算,分析了流動過程中界面波波形的變化,計算結果與實驗中液膜厚度變化符合較好。對不同液相流速工況下的流場變化分析可得,流動過程中界面波前后產(chǎn)生的壓差引入了削弱界面波穩(wěn)定性的附加作用力,且界面波前后壓力變化隨液相流速的增大而增大;與此同時,氣相流速越大,界面波波幅沿軸向發(fā)展越迅速,表明界面波的不穩(wěn)定性隨氣相流速的增大而增大。由此可得,氣相流速及液相流速的增大都會使界面波的穩(wěn)定性降低,即更容易發(fā)生液泛。
CFD;液泛;VOF;界面波;液膜厚度
反應堆發(fā)生大破口事故時,應急堆芯冷卻系統(tǒng)(ECCS)投入運行,應急冷卻水與堆芯內(nèi)產(chǎn)生的蒸汽在堆芯孔板、下降段或熱管段等位置處發(fā)生液泛導致堆芯冷卻效率降低甚至無法冷卻從而影響反應堆安全。對于液泛的表面波動特性、氣-液相界面等的局部特性研究,即使是空氣-水逆向流動工況下都有很大不確定性,而數(shù)值模擬因其能較好反映局部特性而被廣泛使用。Jayanti等[1]研究發(fā)現(xiàn)施加在波上的剪切力由波附近的壓力變化引起且與流道尺寸有關,并基于管徑提出了一種區(qū)分液泛機理的方法。Shearer和Davidson[2]則提出了一種可以預測豎直表面上波形及波幅的理論。Da Riva和Del Col[3]采用VOF[4]界面重構法對一個軸對稱域進行了模擬,發(fā)現(xiàn)環(huán)狀波的形成頻率與Barbosa Jr.等[5]的實驗結果符合較好。Murase等[6],Minami等[7,8]和Utanohara等[9]在1/15 的PWR模型中對熱段進行了空氣-水三維逆向流動模擬,對界面摩擦、流型及逆向流動極限(CCFL)進行了研究并總結得出,采用具有合適的界面摩擦關系式的兩流體模型比VOF模型結果更好。兩流體模型雖在對逆向流動極限(CCFL)的模擬中表現(xiàn)較好,但本文關注界面波的界面行為,VOF模型對于相界面的識別更為準確,因此本文采用VOF模型展開模擬研究。
本文基于VOF模型采用ANANSYS FLUENT研究了逆向流動過程中的界面波動特性,并將模擬結果與Wan等[10]的實驗結果進行了對比。本研究通過跟蹤界面波行為以得到液膜的演變,同時討論了氣相流速對波形變化的影響并對液泛過程中以及液泛后的流場進行了分析,得出氣液逆向流動過程中相間界面的相互作用,以更好地分析CCFL發(fā)生的機理。
本文中數(shù)值計算幾何區(qū)域為一直徑25 mm,管長156 mm的豎直圓管??紤]到流動過程呈對稱分布所以本研究取管中心為對稱軸,以管左側(cè)區(qū)域的流動為研究對象如圖1所示,注水口長度為7.9 mm,采用常規(guī)光管注水,網(wǎng)格數(shù)量為109 950。管的下部為氣相速度入口,左側(cè)注水口為液相質(zhì)量入口,上部出口為兩相壓力出口,其余管道壁面為無滑移壁面條件。
圖1 液泛數(shù)值計算幾何模型
本文采用VOF模型對界面進行追蹤,壓力梯度耦合采用PISO算法,梯度項離散采用最小二乘法單元格方法。除空泡份額以外的變量都采用二階迎風格式進行離散,空泡份額采用幾何重構法離散,瞬態(tài)計算的時間離散采用一階隱式法。此外,當所有變量殘差小于10-4時認為計算達到收斂。本文共選取了包含液泛及液泛后過程的5個工況展開計算,其中液相流速根據(jù)Wan等[10]實驗中兩種液相流速下對應兩種不同的液泛機理分別選取了0.028 m/s及0.121 m/s,氣相流速分別設置為實驗中液泛起始點及液泛后對應的氣相流速工況,工況表如表1所示。所有物性參數(shù)均定義為常溫(25 ℃)常壓(0.1 MPa)下的數(shù)值。
表1 液泛數(shù)值計算工況
為驗證計算結果的網(wǎng)格無關性,本文采用不同的網(wǎng)格數(shù)量在l=0.028 m/s,g=6.379 m/s工況下進行數(shù)值計算并對比其界面波生長特性。從圖2中可看出,界面波波幅隨時間的變化隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加變化不大,本文最終選取了網(wǎng)格數(shù)量109 950進行計算。
圖2 不同網(wǎng)格數(shù)量下界面波變化特性(jl=0.028 m/s,jg=6.379 m/s)
圖2 不同網(wǎng)格數(shù)量下界面波變化特性(jl=0.028 m/s,jg=6.379 m/s)(續(xù))
2.1.1小液相流速
因界面波生長具有周期性,本文對某一周期內(nèi)變化進行了分析。如圖3所示,由于氣流的拖曳作用使界面產(chǎn)生的界面波波幅增大,在該工況下波沿徑向的增大也更為顯著。=0.031~0.056 s時,波峰沿著氣流方向不斷被拉長到一臨界點后其克服自身表面張力后被撕碎,分離出液滴隨氣流向上流動,此后界面波在氣流作用下不斷被撕碎使波幅逐漸變小,直至下一個小波產(chǎn)生從而進入到下一個周期的界面波生長過程。圖4中液膜隨時間的變化曲線與模擬結果變化一致,液膜厚度隨時間的推移先增大后逐漸減小,其達到最大值時對應模擬過程中波幅達到峰值。由=0.056 s及0.059 s可看出,波峰處液體被撕裂形成小液滴被氣相夾帶向上導致液膜變小,這是由于界面波在管內(nèi)徑向上不斷增大使得氣相在截面上所占流通面積減小而流速增大,氣液間的相間剪切增大,對應圖4中液膜減小階段。
圖3 jl=0.028 m/s,jg=6.379 m/s時界面波形變化
圖4 jl=0.028 m/s,jg=6.379 m/s時液膜在0.60 s內(nèi)的變化[10]
2.1.2大液相流速
如圖5所示,大液相流速下界面波的發(fā)展十分迅速。=0.019~0.026 s時,界面波在徑向上快速拉長與對稱側(cè)的界面波幾乎在管內(nèi)形成搭接,波峰向氣流流動方向彎曲直至=0.033 s時被氣相吹散,整個過程用時0.024 s,=0.057 s時波開始繼續(xù)生長并重復以上過程。由圖6可看出,大液相流速下管內(nèi)液膜厚度顯著增大,對比圖5也可看出管內(nèi)截面液相份額顯著增大,進而使氣相在管截面所占面積相應變小使得氣相流速增大,在氣流作用下易形成攪混流,對應圖6中液膜厚度的隨機增大或減小。攪混作用使液相入口處的波難以呈孤立波形式沿軸向及徑向發(fā)展。
圖5 jl=0.121 m/s,jg=4.076 m/s時界面波形變化
如圖7(a)所示,/0代表最大波幅所在軸向位置,其中為波峰位置在圓管豎直方向上的位置,0為最大波幅初始所在位置,這里假設界面波初始時是在液相入口處呈一個對稱分布的獨立波,因此將波峰最初位置定于液相入口中點處,即初始時0=68.95 mm。g=6.379 m/s時,最大波幅值隨時間變化有顯著增大,而最大波幅所在位置沿軸向變化很小,這說明在該氣相流速下界面波幾乎是在其初始產(chǎn)生的位置不斷增大且受氣流的拖曳力較小,界面波主要是沿徑向發(fā)展直至達到臨界波幅值時,波峰受到氣流作用沿氣流方向拉伸后被撕碎形成液滴進而被氣流帶走或重新在管壁上沉積。如圖7(b)及圖7(c)所示,g=7.000 m/s及7.721 m/s時,最大波幅較g=6.379 m/s工況減小且最大波幅所在軸向位置隨時間不斷變化,這說明隨著氣相流速的增大,界面波沿軸向的發(fā)展更加顯著且氣液界面更加平坦,波峰處被氣流撕碎形成液滴時對應的臨界波幅更小。而氣相流速越小界面波在徑向上的發(fā)展更顯著,即氣液界面波峰更顯著,波峰被撕碎時的臨界波幅更大。
圖6 jl=0.0.121 m/s,jg=4.076 m/s時液膜在0.60 s內(nèi)的變化[10]
2.3.1小液相流速
如圖8所示,界面波的存在使得氣相流通面積變小從而導致氣相流速變大,因此界面波迎風側(cè)氣相流線較密,在波峰處速度分布變得平坦,而波峰后方為尾流低壓區(qū),這與Davide Del Col等[3]模擬結果一致,如圖9所示,壓力在界面波背風側(cè)突然下降,而在氣相流動的下游位置壓力則逐漸升高直至到達一常數(shù),這是因為氣流在遠離界面波的一段距離后擾動減小而不再受尾流區(qū)影響。界面波的背風側(cè)與迎風側(cè)之間的壓力差使界面波受到了向上的附加力作用,加速了液泛的發(fā)生。除此之外,隨著時間的推移,界面波在徑向上不斷生長使得壓差不斷增大,進而導致尾流區(qū)不斷增大直至波峰處被氣流撕碎,大尾流造成流動分離。
圖7 jl=0.028 m/s時不同氣相流速下最大波幅值及其軸向位置隨時間變化圖
圖8 jl=0.028 m/s時界面波附近流場圖:(a)jg=6.379 m/s(b)jg=7.000 m/s
圖9 界面波達到最大波幅時的壓力變化[3]
2.3.2大液相流速
如圖10所示,界面波在初始形成時背風側(cè)也會形成尾渦,而在大液相流速下界面波在氣流作用下會在徑向上快速發(fā)展,使得背風側(cè)尾渦也快速增大進而導致波前后兩側(cè)壓差迅速變化,因此在大液相流速下界面波極易在管內(nèi)被氣流吹散形成攪混流,尾渦耗散后界面波重新生長并重復以上過程。大液相流速下由于管內(nèi)形成攪混流態(tài),管內(nèi)各截面上都有一定液相份額,隨著液相的不斷補充以及管內(nèi)擾動的存在,注水口處的波難以穩(wěn)定地呈孤立波生長。
本文基于VOF模型,對=25 mm的圓管中氣液逆向流動過程中界面波的演變開展了CFD計算。得到如下結論:
(1)小液相流速下界面波達到臨界波幅后,波峰在氣流作用下克服自身表面張力被撕碎;大液相流速下界面波發(fā)展迅速,難以孤立波穩(wěn)定生長且波幅較小,易形成攪混流。
(2)小液相流速下隨著氣相流速的增大,界面波發(fā)展過程中界面的最大波幅不斷減小且最大波幅所在軸向位置沿氣流方向向下游發(fā)展。
(3)小液相流速下界面波在受到氣流作用后波幅逐漸增大,波前后產(chǎn)生的壓差對界面波有附加力的作用,界面波在氣流及附加力雙重作用下變得不穩(wěn)定進而促使液泛發(fā)生。大液相流速下界面波沿徑向發(fā)展十分迅速,其背風側(cè)的尾渦快速增大從而導致界面波兩側(cè)的壓差也迅速增大,加大了波的不穩(wěn)定性。
本工作得到了國家重點研發(fā)計劃(2018YFB1900400)的支持。
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Study on the Interfacial Behavior of the Air/Water Counter-current Flow in the Vertical Tube Based on the CFD
WAN Jie1,2,SUN Wan1,*,LI Xiang1,2,ZHU Longxiang1,2,MA Zaiyong1,2,ZHANG Luteng1,2, PAN Liangming1,2
(1. Key Laboratory of Low-Grade Energy Utilization Technologies and Systems,Ministry of Education,Chongqing University,Chongqing 400044,China;2. Department of Nuclear Engineering and Technology,Chongqing University,Chongqing 400044,China)
In order to study the local characteristics of the air-water counter-current flow, a numerical simulation of interfacial wave in a vertical tube with 25 mm diameter has been carried out based on the VOF (volume of fluid) model. The change of interfacial wave was analyzed and showed a good agreement with the experimental film thickness. Through the analysis of the variation of the flow field under different liquid flow rates, it can be concluded that the pressure difference generated between the windward and leeward of the interfacial wave introduces an additional force, which weakens the stability of the interfacial wave. And the pressure difference increases with the increase of the liquid flow rate. Moreover, the greater the gas flow rate, the faster the amplitude of the interfacial wave develops along the axial direction, indicating that the instability of the interfacial wave increases with the increase of the gas flow rate. Consequently, the increase of the gas and liquid flow rate reduces the stability of the interfacial wave, namely, the flooding is more likely to occur.
CFD; Flooding; VOF; Interfacial wave; Liquid film thickness
TL334
A
0258-0918(2023)05-1105-08
2022-08-04
國家重點研發(fā)計劃資助項目(2018YFB1900400)
萬 潔(1996—),女,貴州三穗人,博士研究生,現(xiàn)主要從事兩相逆向流動極限方面研究
孫 皖,E-mail:sunwan@cqu.edu.cn