路銘超， 李亞洲， 熊珍琴

（1.上海核工程研究設(shè)計院，上海 200233；2.上海交通大學 核科學與工程學院，上海 200240）

蒸汽發(fā)生器是核電廠的重要設(shè)備之一，其中的汽水分離裝置（包括汽水分離器和干燥器）是該設(shè)備的主要部件，其作用是保證由蒸汽發(fā)生器引出的飽和蒸汽的濕度低于0.25%的濕度指標，確保核電廠安全、經(jīng)濟運行［1］.汽水分離器內(nèi)部的流體流動屬于兩相流動，分離過程復雜，尚不能用理論公式計算，必須進行試驗.

過去國內(nèi)外對蒸汽發(fā)生器汽水分離器的試驗研究著重于幾何結(jié)構(gòu)的改進［2］以及整個分離裝置的分離性能［3］，而對其內(nèi)部的兩相流流動和分離現(xiàn)象的研究不多，近幾十年很少有關(guān)于汽水分離器兩相旋轉(zhuǎn)流動的研究.筆者借鑒單相旋轉(zhuǎn)流試驗研究的經(jīng)驗［4］，在試驗中使用透明有機玻璃制成的汽水分離器試驗件，可清楚地觀察到試驗件內(nèi)汽水分離過程及分離的流場，并得到不同入口工況對汽水分離器分離效果的影響.試驗最主要的目的是為計算流體力學（CFD）模型的分析提供試驗依據(jù)，以驗證詳細三維CFD計算結(jié)果的可靠性.

汽水分離器模擬件的性能研究試驗包括改變汽水兩相混合物流速、液相體積分數(shù)及液滴粒徑等參數(shù)下的汽水分離試驗，在試驗中對試驗件的分離水量以及壓降進行測量，得到汽水分離器簡化試驗件的分離效率和壓力損失.

1 汽水分離器的簡化試驗件

筆者旨在研究汽水分離器內(nèi)部的流場及分離性能，重點是觀察流體通過旋葉片的離心作用、節(jié)流環(huán)和外筒的分離作用，因此對實際的汽水分離器進行了簡化，只保留了內(nèi)筒、旋葉片、節(jié)流環(huán)及外筒等關(guān)鍵部件.由于試驗臺架容量的限制，在設(shè)計試驗件時，將原汽水分離器適當縮小，針對2種汽水分離器設(shè)計了2個試驗件（試驗件1（圖1）和試驗件2（圖2））.2個試驗件的內(nèi)筒直徑相同，旋葉片升角分別為30°和18°.試驗件1只有1個下降通道的出水口.試驗件2除1個下降通道出水口外，在外筒上增加了2個切向出水口，同時為收集切向口的分離水，還在外筒外邊增加了輔助筒.

圖1 汽水分離器試驗件1Fig.1 The moisture separator 1tested

圖2 汽水分離器試驗件2Fig.2 The moisture separator 2tested

2 試驗系統(tǒng)及方法

2.1 試驗系統(tǒng)

圖3 汽水分離器模擬件冷態(tài)試驗系統(tǒng)圖Fig.3 Cold－state test system for moisture separation

圖3為汽水分離器模擬件冷態(tài)試驗系統(tǒng)圖.試驗系統(tǒng)由主回路系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和測控系統(tǒng)組成.主回路系統(tǒng)采用開式回路形式，由汽水混合物支路、水支路和空氣支路組成.汽水混合物由霧化器產(chǎn)生，通過霧化器連接件和可拆卸段進入試驗件旋葉分離器.其中，水支路提供形成汽水混合物的水，水在水箱內(nèi)壓力的作用下經(jīng)過濾器和調(diào)節(jié)閥進入霧化器.壓縮空氣從儲氣罐出來，經(jīng)過濾器后分2個支路（霧化器支路和補充空氣支路）進入試驗段.一部分壓縮空氣通過調(diào)節(jié)閥進入霧化器，將水霧化，形成汽水混合物，該支路為霧化器支路.在補充空氣支路中，空氣通過調(diào)節(jié)閥直接進入汽水混合物通道，形成所需比例的空氣與水的混合物.汽水混合物經(jīng)過試驗件時，被分離出的水通過貫通水箱進入集水箱.

2.2 試驗

試驗在常溫、常壓的冷態(tài)條件下進行，分別對2個試驗件的可視化流場進行拍攝，并對分離水量、壓降及入口液滴粒徑進行測量.

（1）利用激光器調(diào)節(jié)得到豎直且位于試驗件軸向剖面的片光源，采用高速攝像儀對試驗件剖面上的兩相旋轉(zhuǎn)流場進行拍攝［5］.

（2）汽水分離效率的測量是最重要的測試項目.通過測量進口空氣和水的流量以及外筒收集到分離出的水量，獲得分離器的分離效率，其計算公式如下

式中：m1為外筒收集的水量；m2為輔助筒收集的水量，對于試驗件1而言，m2＝0；Qw為進口水體積流量；ρw為進口水密度；Δt為收集水的持續(xù)時間.

試驗開始之前貫通水箱內(nèi)有初始水位，試驗時分離水通過外筒從出水口流出，進入貫通水箱.為保證下降通道的水封水位不變，需保證貫通水箱的水位穩(wěn)定，因此需要不斷排水，排出的水進入集水箱即為分離水量.

（3）通過布置2組壓差傳感器，測量得到旋葉通道和汽水分離器的阻力壓降.2組壓差傳感器的高壓側(cè)均與可拆卸段上的取壓孔連接.低壓側(cè)分別連接布置于內(nèi)筒的取壓孔和布置于分離器出口的取壓孔，分別測得旋葉阻力和總阻力.取壓孔位置見圖1和圖2.

（4）在試驗件前設(shè)置可拆卸段，試驗穩(wěn)定后拆下該段，采用粒度分析儀測量液滴粒徑，獲得平均液滴粒徑.

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 可視化流場

采用高速攝像儀對汽水分離器試驗件進行可視化流場的拍攝，可視化流場如圖4所示.

圖4 汽水分離器試驗件的可視化流場Fig.4 Visualized flow field in simulated moisture separators

從試驗中發(fā)現(xiàn)，液滴均勻分布的汽水混合物以一定流速進入試驗件后，在旋葉片處由于流道的改變，一部分液滴與旋葉片碰撞附著在其上形成水膜；液滴和液滴之間也會發(fā)生碰撞，凝結(jié)成大液滴，受旋葉片離心力作用在葉片出口處液滴被拋向內(nèi)筒內(nèi)壁面，附著于壁面的液滴聚集成水膜并沿著筒壁繼續(xù)旋轉(zhuǎn)向上；水膜隨著內(nèi)筒壁面上的旋轉(zhuǎn)流動互相攪渾，在周向形成一定厚度的均勻水膜，在到達內(nèi)筒頂部后，被分離的大部分水流入下降通道.而內(nèi)筒中心區(qū)域形成汽柱，夾帶著一小部分液粒從上出口流出.

對于試驗件2，由于在外筒上增加了2個切向出口，除了內(nèi)筒上部一部分水流入下降通道外，還有部分未被分離的液滴被氣體攜帶從切向口流出，液滴撞擊在輔助筒上，沿筒壁旋轉(zhuǎn)流下進入輔助筒下部被收集.一部分液滴在空氣的夾帶作用下，仍會沿筒壁旋轉(zhuǎn)向上流動一段距離，并最終由于重力作用向下流動.

3.2 分離效率

在保持總氣量不變的情況下，改變試驗件入口處的水量進行多次試驗，試驗件1的分離效率隨入口水體積分數(shù)的變化見圖5.由圖5可看出：（1）在空氣流量一定時，試驗件1的分離效率隨著入口水體積分數(shù)的增大呈升高趨勢.這是因為當入口水量較小時，液滴碰撞變大的現(xiàn)象不明顯，而小液滴更容易隨著氣體從上出口帶出；隨著入口水量增大，液滴碰撞變大并受離心力作用在內(nèi)筒內(nèi)壁附著集結(jié)成穩(wěn)定的水膜，分離效率提高.（2）空氣流量對汽水的分離效率無顯著影響，但可以看出當空氣流量為619 m3／h和689m3／h時，隨著水體積分數(shù)的增大，分離效率呈下降的趨勢，這是由于內(nèi)筒內(nèi)壁水膜變厚，中心氣柱更容易將水膜邊緣的液體夾帶走而導致的.（3）分離效率隨入口水體積分數(shù)的增大變化很小.隨著水量的增加，筒壁液膜增厚，且液膜均能夠被有效分離.

圖5 試驗件1的分離效率隨入口水體積分數(shù)的變化Fig.5 Separation efficiency vs.volummetric fraction of inlet water（separator 1）

試驗件2是有切向出口的汽水分離器，切向出口分離出的水從輔助筒下出口進入貫通水箱被收集，下降通道分離出的水從外筒下出口進入貫通水箱被收集.分別對這2部分分離水量進行測量，總分離水量是這2部分分離水量之和.試驗結(jié)果表明，試驗件2的分離效率與試驗件1的分離效率無顯著差別.圖6給出了試驗件2的外筒分離水比例隨入口水體積分數(shù)的變化.由圖6可以看出：（1）外筒分離水比例隨著空氣流量的增大而下降.這是由于在相同入口水體積分數(shù)下，入口氣體速度越大，傳遞給液體的動能就越多，意味著液滴和液膜在氣體作用下能達到更高的高度，因此液體就更容易被攜帶著從較高的切向口流出.（2）外筒分離水比例受空氣流量變化的影響顯著，在空氣流量為417m3／h時，下降通道分離水比例幾乎不受入口水體積分數(shù)的影響，分離水所占比例在85%以上，此時外筒的分離效果最佳.（3）外筒分離水比例隨入口水體積分數(shù)的增大先增大后減小.在入口水體積分數(shù)較小的區(qū)域內(nèi)，由于沒有形成穩(wěn)定的水膜，液滴更容易被空氣夾帶從切向口帶出，因此隨著入口水體積分數(shù)的增大，外筒分離水比例增大；在入口水體積分數(shù)較大的區(qū)域內(nèi)，當空氣流量較小時，入口水量對外筒分離效果影響不大，當空氣流量較大時，隨著入口水量的增大，高速空氣將更多的水從切向出口帶出，導致外筒分離水比例顯著下降.

圖6 試驗件2的外筒分離水比例隨入口水體積分數(shù)的變化Fig.6 Separation ratio of outer tube vs.volummetric fraction of inlet water（separator 2）

3.3 阻力損失

用壓差變送器對試驗件的總阻力和旋葉阻力進行了測量.總阻力包括旋葉片和上出口處因流通面積突縮導致的壓力損失、引壓孔間高度差導致的勢能損失和整個流場流動的能量損失.其中前兩部分為總阻力的非流場能量損失項.圖7為試驗件1和試驗件2的總阻力對比圖.由圖7可以看出，總阻力隨入口水流量的增加呈線性增大，與入口空氣流量呈正相關(guān)性；試驗件2由于采用了較小的旋葉角度和支撐管直徑，因此總阻力大于試驗件1的總阻力.

圖7 試驗件1和試驗件2的總阻力圖Fig.7 Total pressure drop of separators 1and 2

為表征汽水分離器試驗件流場的能量損失，對試驗件1的阻力系數(shù)進行了計算，計算公式如下：

式中：pin、pout分別為入口、出口的壓力；ρmix，in、ρmix，out分別為入口、出口處的折算密度；Uin、Uout分別為入口、出口處的速度.

經(jīng)計算發(fā)現(xiàn)，試驗件1的阻力系數(shù)范圍為4～9，隨入口水體積分數(shù)的增大而減小，且呈線性變化.隨著空氣流量的增大，試驗件1的阻力系數(shù)減小.

試驗件1和試驗件2旋葉片造成的阻力損失的測量結(jié)果見圖8.由圖8可見，由于試驗件2旋葉的升角小于試驗件1的，因此試驗件2的旋葉阻力明顯大于試驗件1的，且在不同空氣流量條件下旋葉阻力占總阻力的比例明顯高于試驗件1的.

圖8 試驗件1與試驗件2旋葉阻力占總阻力比例的對比圖Fig.8 Comparation of ratio of vane pressure drop to total pressure drop between separator 1and separator 2

3.4 粒徑對分離效率的影響

試驗采用2種霧化器，經(jīng)粒度分析儀測量，在各試驗工況下霧化器1的粒徑在100～200μm變化，霧化器2的粒徑在40～50μm變化，在2種粒徑下試驗件1的分離效率隨入口水流量的變化如圖9所示.由圖9可以看出，入口處液滴粒徑大小對試驗件1的分離效率沒有顯著影響.原因是雖然進口液滴粒徑大小不同，但當汽水混合物經(jīng)過旋葉片時液滴會相互碰撞結(jié)成大液滴，隨后在離心力作用下被拋向內(nèi)筒壁面，形成水膜沿著內(nèi)筒壁旋轉(zhuǎn)向上完成離心分離，因此入口液滴大小對離心分離過程的影響不明顯.

圖9 不同液滴粒徑下試驗件1的分離效率隨入口水體積分數(shù)的變化Fig.9 Separation efficiency of separator 1vs.volummetric fraction of inlet water at different droplet sizes

4 結(jié) 論

（1）汽水混合物在經(jīng)過旋葉片的過程中以及經(jīng)過旋葉片之后會互相碰撞形成大液滴，并附著在內(nèi)筒壁面上形成液膜，沿壁面螺旋上升，因此在CFD模擬中必須考慮液滴碰撞對流場的影響.

（2）對于試驗件1，未被分離的液滴被空氣夾帶從上出口流出；對于試驗件2，除上出口外，還有一部分液滴隨空氣從切向口流出，且其中部分液滴仍會在空氣攜帶和重力雙重作用下旋轉(zhuǎn)向上流動一段距離才流入輔助筒下出口.

（3）在相同試驗工況下，試驗件1和試驗件2的分離效率基本相同，在不同水體積分數(shù)下分離效率均高于90%，分離效果良好.

（4）試驗件2在下降通道和切向出口的水量分布對空氣流量和水量敏感，在空氣流量為417m3／h時對入口水量的適應(yīng)性良好，分離效果最佳.因此，在CFD模擬中要對不同入口流速和汽水比例下的切向出口水量進行敏感分析.

（5）試驗件1和試驗件2的總阻力隨入口水流量的增加線性增大，并與入口空氣流量呈正相關(guān)總性；試驗件2的總阻力及旋葉阻力均明顯大于試驗件1的.

（6）入口液滴粒徑對分離效率無顯著影響.在CFD模擬中，與實際情況相比，入口液滴的設(shè)置是經(jīng)過假設(shè)和簡化的，因此在接下來的計算中要對入口液滴粒徑大小及分布進行敏感性分析.

［1］GREEN S J，HETSRONI G.PWR steam generator［J］.Int J Multiphase Flow，1995，21（s1）：1－97.

［2］丁訓慎，崔保元.立式蒸汽發(fā)生器汽水分離裝置的試驗研究［R］.北京：原子能出版社，1989.

［3］陳軍亮，薛運奎，王先元.百萬千瓦級壓水堆核電廠蒸汽發(fā)生器汽水分離裝置熱態(tài)驗證試驗［J］.核動力工程，2006，27（3）：63－68.CHEN Junliang，XUE Yunkui，WANG Xianyuan.Proof test in hot condition on steam separation device in steam generator for 1000MW PWR nuclear power plant［J］.Nuclear Power Engineering，2006，27（3）：63－68.

［4］KARUPPARAJ R T，GANESAN V.Study on the effect of various parameters on flow development behind vane swirlers［J］.International Journal of Thermal Sciences，2008，47（9）：1204－1225.

［5］洪文鵬，劉燕，周云龍.基于高速圖像采集的管束間氣液兩相繞流旋渦特性研究［J］.動力工程學報，2011，31（1）：48-52.HONG Wenpeng，LIU Yan，ZHOU Yunlong.Vortex characteristics of high speed image acquisition of gasliquid flow between tube bundles［J］.Journal of Chinese Society of Power Engineering，2011，31（1）：48-52.