核电站汽水分离器分离特性的数值研究

发布时间：2020-04-06 00:45

【摘要】：旋风式分离器因具有占用空间小、分离迅速等优点,被广泛应用于物料分离。我国某核电站模块化高温气冷堆(MHTR)汽水分离器借鉴了旋风式分离器的分离原理,采用轴对称式双切向斜接管入口,实现液滴的离心分离。本文利用ANSYS Fluent 15.0商用软件对MHTR汽水分离器内的两相流运动状态、汽水分离机理以及分离性能进行数值研究,为其稳定高效运行提供理论支持。本文利用微型旋流汽水分离器的实验结果,对计算模型进行验证。对于连续相流场,采用二阶差分格式的RNG k-ε和RSM湍流模型计算出的压降值与实验值吻合良好。利用离散相模型(DPM)计算液滴运动,采用双向耦合“wall film”或“Eulerian wall films”壁面模型计算出的分离效率较单向耦合“trap”壁面模型时更接近实验值,且能够更好的表现出分离效率随入口条件改变的变化趋势。采用双向耦合时,RNG k-ε湍流模型比RSM湍流模型计算出的分离效率更接近实验值。其中,“wall film”模型能更好地表现二次携带现象。采用RNG k-ε湍流模型计算MHTR汽水分离器内连续相流场,采用DPM计算液滴运动。连续相流场内部强制涡和外部自由涡的分布对称性良好。入口质量流量不变时,溢流口总压降与疏水口静压降随入口干度增加而增大。对于单向耦合计算,壁面边界条件设置为“trap”。不考虑湍流扩散效应时:液滴上升轨迹紧贴壁面,只有小粒径液滴可以从溢流口逃逸;入口干度相同时,液滴直径越大分离效率越高,液滴直径为10μm以上时,分离效率趋近于100%;液滴直径相同时,分离效率随入口干度增大而升高。考虑湍流扩散效应时:液滴的行为受流体脉动速度的影响,液滴上升轨迹在经过入口位置后分为靠近壁面和靠近中心两个区域;液滴在汽水空间内停留的时间较长,较大的液滴也可以从溢流口逃逸;湍流扩散效应延缓了分离效率随液滴直径增大而升高的趋势,削弱了分离效率与入口干度之间的关系。对于双向耦合计算,考虑了液滴与壁面间和液滴间的碰撞,入口干度越低,液滴所占体积分数越高,越容易发生碰撞。本研究中液滴在碰撞后更易于聚合为直径较大的液滴。壁面边界条件为“reflect”非弹性碰撞时,分离效率随着入口干度的增加而降低;当入口液滴粒径常数大于50μm时,入口干度高于60%即能保证溢流口干度高于85%。壁面边界条件为“wall film”时,由于考虑了二次携带和液滴碰撞破碎,绝大多数由溢流口逃逸的液滴的粒径都小于入口粒径的最小值;由于考虑了液滴碰撞聚合,绝大多数被壁面捕捉到的液滴的粒径远大于入口粒径的最大值。
【图文】：

原理图,离心分离,原理图,涡旋

哈尔滨工业大学硕士学位论文汽水离心分离过程的机理及理论离过程的机理分离器中，气-液两相混合物由切线进入汽水空，向下旋转的气流形成外涡旋，外涡旋到达分离内涡旋，最后经溢流管排出，外涡旋和内涡旋旋动时，由于气-液两相之间存在密度差，在离心大量液滴在壁面形成薄薄的一层液膜液滴，当量液滴被气流带入分离器中部的汽空间，致使分离原理如图 2-1[48]所示。在离心分离的过程会，液滴快速撞击壁面液膜时也会发生破碎、反弹壁面液膜亦会受气流剪切力作用形成二次液滴。

质量转移,动量,热量,液滴

dm ——液滴质量流率（kg/s）； t ——时间步长（s）；otherF ——其它作用力（m/s2）。壁面液膜（wall-film）模型研究汽、液两相流动中液滴与壁面的作用行为时，为了简化问题，理论设所有碰撞在边壁上的液滴都被捕集而从气流中分离出来，而事实上二次夹带的情况。发生以下四种情况：1）由于液滴和气体的相互作用而造成液滴的破裂；2）由于撞击液膜而引起液滴破裂；3）由于气流的剪切力而造成液膜的破裂；4）由于液滴和湍流漩涡相互作用造成液滴破裂。些作用机制都是基于当单个液滴碰壁的速度达到临界速度时，，就会有生，二次液滴的产生主要就是由于飞溅的发生。“wallfilm”壁面模型是滴与壁面的相互作用，采用的是离散相的瞬态模拟，需要在双向耦合计增大了计算量。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM623.4

【参考文献】