居曉峰 孫立成 唐文偲 運紅宇 閻昌琪

1（哈爾濱工程大學 核安全與仿真技術國防重點學科實驗室 哈爾濱 150001）

2（四川大學 水利水電學院 成都 610207）

文丘里式氣泡發(fā)生器工作特性分析

居曉峰1孫立成2唐文偲1運紅宇1閻昌琪1

1（哈爾濱工程大學 核安全與仿真技術國防重點學科實驗室 哈爾濱 150001）

2（四川大學 水利水電學院 成都 610207）

氣泡發(fā)生器是釷基熔鹽堆脫氣系統(tǒng)的關鍵部件，其功用為將載氣碎化成尺寸均勻的小氣泡。本文在脫氣系統(tǒng)水實驗回路實驗研究基礎上，采用數(shù)值模擬方法，應用SIMPLEC算法對標準的k-ε湍流模型和多相流混合模型進行耦合求解，分析了沿氣泡發(fā)生器流動方向的氣液兩相流場速度變化、壓力變化、湍動能分布規(guī)律。沿流向的速度分布表明，氣相從喉部開始沿壁面流動，包圍位于中心區(qū)域的水相，氣相速度在擴張段入口處明顯降低，速度梯度的變化形成剪切，使得氣相破碎、分裂；壓力分布表明，在氣泡發(fā)生器的擴張段入口附近出現(xiàn)了壓力梯度的峰值，與實驗中測得的氣泡集中碎化的位置相近，說明壓力的迅速回升可能加速了氣泡的碎化；湍動能分布表明，擴張段出口湍動能相對較大，說明此處氣液兩相能量交換強烈，產生強烈的剪切應力，使氣液兩相彼此剪切、破碎。以上結果說明，擴張端入口處由于較大的速度梯度及湍動能峰值，導致產生巨大的剪切應力，使氣泡出現(xiàn)集中破裂現(xiàn)象。

熔鹽堆，氣泡發(fā)生器，氣泡碎化，數(shù)值計算

在熔鹽堆運行過程中，會不斷產生中子吸收截面較大的裂變氣體，如氙、氪等，它們的存在嚴重影響到反應堆的運行。熔鹽堆的脫氣系統(tǒng)向燃料鹽中以氣泡形式連續(xù)通入一定含量的載氣，通過傳質過程吸收裂變產生的氙和氪。富含裂變產物氣體的載氣氣泡，通過脫氣回路中的分離器從熔鹽中分離，從而達到連續(xù)從熔鹽燃料中去除氙和氪的目的[1]。作為熔鹽堆脫氣系統(tǒng)的一個重要設備，氣泡發(fā)生器的作用就是將注入到燃料中的載氣碎化成一定尺寸且大小均勻的小氣泡。

湍流中氣泡破裂的理論首先由Kolmogorov和Hinze提出并發(fā)展。Hinze[2]認為在高雷諾數(shù)情況下，如果氣泡表面所受壓力波動的影響超過了氣泡表面張力的影響，氣泡就會破裂；Fujiwara[3]利用高速攝影對文丘里管內的氣泡碎化現(xiàn)象進行了研究；Nomura[4]則分析了文丘里管內氣泡碎化的過程與喉部聲速的關系。目前，對于氣泡發(fā)生器中氣泡相關研究很少。本文主要針對小型釷基熔鹽堆所設計的文丘里式氣泡發(fā)生器，結合實驗中獲得的高速攝像資料，分析沿氣泡發(fā)生器流動方向的各斷面氣液兩相流場速度變化、壓力變化、湍動能分布規(guī)律，對我國熔鹽堆的研發(fā)設計有一定參考價值。

1 實驗系統(tǒng)及結果分析

1.1 實驗系統(tǒng)簡介

本文實驗結果均源自作者所在項目團隊的前期工作，現(xiàn)對實驗系統(tǒng)和氣泡發(fā)生器做簡要說明。圖1所示為實驗系統(tǒng)圖，實驗以空氣和水為工質，水箱中的水通過離心泵的驅動進入氣泡發(fā)生器入口，空氣經儲氣罐進入氣泡發(fā)生器喉部，在擴張段氣泡碎化為大量微小氣泡，隨水流出氣泡發(fā)生器。

1.2 氣泡發(fā)生器的結構

圖2為文丘里式氣泡發(fā)生器的結構示意圖，水從氣泡發(fā)生器入口進入，氣體則首先進入一個注氣環(huán)腔，環(huán)腔通過15個均勻分布的1 mm小孔與文丘里管喉部相通，氣體通過這些小孔進入到文丘里管喉部。

氣泡發(fā)生器的關鍵結構參數(shù)主要包括收縮角、喉部直徑、擴張角等。氣泡發(fā)生器的幾個尺寸的大小直接影響氣泡的產生和大小，而這些尺寸一般是通過實驗或者經驗公式來確定。為了節(jié)約設計時間及減少實驗費用可考慮用FLUENT來進行模擬，然后根據(jù)模擬結果進行改進。

圖1 實驗系統(tǒng)圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental system.

圖2 文丘里式氣泡發(fā)生器結構圖Fig.2 Structure of the Venturi-type bubble generator.

1.3 控制方程

混合模型是一種簡化的多相流模型，它用于模擬各相有不同速度的多相流，它假定了在短空間尺度上局部的平衡，來求解混合相的動量、連續(xù)性和能量方程，第二相的體積分率以及滑移速度和漂移速度。由于模型簡單，計算量小且結果較為可靠而得到了較多應用。本文采用兩相混合模型建立控制方程。

1.4 連續(xù)性方程

1.5 動量方程

2 氣泡發(fā)生器內部流場的三維數(shù)值模擬

2.1 幾何建模、網(wǎng)格的劃分及無關性驗證

根據(jù)實驗中氣泡發(fā)生器的結構形式及尺寸，用三維建模軟件UG建立其完整的幾何模型，如圖3所示，支管的作用是均勻的向喉部內通入氣體。采用六面體網(wǎng)格得到的網(wǎng)格結構如圖4所示（網(wǎng)格劃分工具為ICEM CFD），劃分網(wǎng)格的主要難點在14根支管與喉部相連處，本次劃分先劃分喉部與支管的部分，最后進行拉伸，網(wǎng)格的質量指標如表1所示。另外，喉部及擴張段內的區(qū)域是本文的研究重點，所以進行了加密。

圖3 氣泡發(fā)生器的幾何模型Fig.3 Geometric model of the bubble generator.

表1 網(wǎng)格質量分布Table 1 Distribution of mesh quality.

網(wǎng)格劃分的密度對數(shù)值計算結果的影響很大，一般情況下，只有當網(wǎng)格密度增加到一定程度后，使得計算結果隨網(wǎng)格數(shù)的增加變化很小時，數(shù)值模擬計算的結果才有意義。根據(jù)網(wǎng)格敏感性分析所得結果加密劃分的網(wǎng)格，得到三套不同尺度的網(wǎng)格Coarse、Medium、Fine，網(wǎng)格數(shù)分別為726128、1204432、2497226。計算得到的壓力與速度沿氣泡發(fā)生器軸向的分布如圖5所示。可以看出，Coarse網(wǎng)格所得的計算結果與Medium的結果有一定誤差，而Medium與Fine的計算結果幾乎重合。在Medium的基礎上繼續(xù)加密網(wǎng)格對計算結果的影響已經可以忽略。因此，選用Medium網(wǎng)格。

圖4 氣泡發(fā)生器的網(wǎng)格劃分Fig.4 Mesh generation of the bubble generator.

圖5 不同密度網(wǎng)格所得壓力(a)和速度(b)分布對比Fig.5 Comparison of the pressure (a) and velocity (b) distribution from different grid densities.

2.2 數(shù)值模擬邊界條件

氣泡發(fā)生器入口為速度入口，出口為壓力邊界，進氣口設為質量流量入口，兩相之間為無滑移條件。設置邊界條件時，在湍流定義方法中選擇湍流強度與水力直徑。在湍流強度中按式(3)進行計算：

對于水力直徑，則按照文丘里管的入口直徑來確定。對于固壁處采用標準壁面函數(shù)處理，壁面相對于混合流體無滑移，工作介質水的密度為998kg·m-1。假設次相空氣的直徑為0.1 mm，空氣密度為1.225 kg·m-3。采用控制體積積分法離散控制方程，采用壓強連接的隱式修正SIMPLEC算法進行求解。用非穩(wěn)態(tài)算法，時間步長設為0.005 s，經過2000次迭代，經過10 s運算，殘差收斂至10-4以下，位于擴張段入口的監(jiān)視參數(shù)壓力、混合速度和空泡份額均已趨于穩(wěn)定。

2.3 模型校驗

不同入口水流量條件下進出口壓降值與實驗值對比結果如圖6所示。標準的k-ε模型計算值與實驗值的平均誤差僅為8.9%，雖然在較低水流量時，標準的k-ε模型偏差稍大，但在較高水流量時與實驗值符合很好。文丘里氣泡發(fā)生器的工作流量范圍處于高水流量范圍(16-20 m3·h-1)，因此數(shù)值分析選用標準的k-ε模型。

2.4 數(shù)值模擬結果與分析

2.4.1 速度分布

從圖7-9可直觀看出，氣泡發(fā)生器內部流場速度分布，氣流在支管入口處被卷吸進入氣泡發(fā)生器，在支管與喉部連接處，因水相與氣相存在較大速差，低速氣流與高速水流碰撞而被瞬間加速。氣泡發(fā)生器內部流場速度分布顯示，喉部內流速最高，在擴張段的近入口處速度梯度非常大。速度剖面呈典型的管內流動特點，而進入擴張段時過流斷面不斷擴大，流速逐步降低。從沿軸向截面的速度云圖可以發(fā)現(xiàn)，在近擴張段入口處，兩相在徑向方向的速度梯度較大，但隨著氣泡的碎化及兩相的混合，徑向方向的速度趨于均勻。雖然與喉部相連的14根支管并不呈中心對稱，但是由于空泡份額太?。ㄐ∮?.3%），氣相對于整體流場的影響十分微小，因此徑向速度分布大致呈中心對稱。對比混合相在軸向、徑向上的速度分布特征，可以看出，兩相流動以軸向為主，在發(fā)展過程中因湍動剪切作用，徑向不均勻分布程度逐漸減小，在擴張段尾部，兩相已處于較好的混合狀態(tài)。

圖6 進出口壓降的實驗與計算值對比Fig.6 Comparison of the pressure drop between the CFD results and the experimental data.

圖7 氣相的速度云圖Fig.7 Contour of velocity of the air.

圖8 混合相的軸向速度云圖Fig.8 Contour of velocity of the mixture in the axial direction.

圖9 混合相的徑向速度云圖Fig.9 Contour of velocity of the mixture in the radial direction.

2.4.2 壓力分布

由圖10可見，在收縮段由于流動截面變小，流速增加，壓力減小，在喉部壓力基本保持不變，進入擴張段。從圖11可以看出，在氣泡發(fā)生器的收縮段出口以及在擴張段入口，均出現(xiàn)了壓力梯度的峰值，而如圖12所示，在實驗的高速攝像中測得氣泡碎化集中在距離擴張段入口10 mm左右[6]，壓力梯度的峰值也恰巧在這個位置附近，說明壓力的迅速回升可能加速了氣泡碎化的過程。

圖10 沿軸向的壓力分布Fig.10 Pressure distribution in the axial direction.

圖11 沿軸向的壓力梯度分布Fig.11 Pressure gradient distribution in the axial direction.

圖12 氣泡發(fā)生器氣泡碎化集中位置的測量Fig.12 Location of intensive breakup of bubbles in the bubble generator.

2.4.3 湍動能分布

如圖13所示，在擴張段入口產生了湍動能的峰值，這個峰值是由于擴張段截面面積突然增大以及氣液兩相的能量交換引起的。在實驗中氣泡的碎化主要分布在離擴張段入口10 mm左右，這與圖7中的湍動能峰值位置相近，說明強烈的湍動能產生了強烈的剪切應力，使氣液兩相彼此剪切，迅速破碎。

圖13 氣泡發(fā)生器沿流向的湍動能分布Fig.13 Turbulent kinetic energy distribution along the flow direction in the bubble generator.

3 結語

本文在脫氣系統(tǒng)水實驗回路實驗研究基礎上，采用數(shù)值模擬方法，運用標準k-ε湍流模型和多相流的混合模型，采用SIMPLEC算法進行耦合求解，分析了沿氣泡發(fā)生器流動方向的各斷面氣液兩相流場速度變化、壓力變化、湍動能分布規(guī)律。

(1) 沿流向速度分布表明，高速運動的水流卷吸了喉部較低速度的氣相一起流動，氣相速度迅速增大，沿壁面流動，包圍位于中心區(qū)域的液相。在近擴張段的入口處，兩相在徑向方向的速度梯度較大，但隨著氣泡的碎化及兩相的混合，徑向方向的速度趨于均勻。

(2) 壓力分布表明，在氣泡發(fā)生器近擴張段的入口處出現(xiàn)了壓力梯度的峰值，與實驗中測得的氣泡集中碎化的位置相同，說明壓力的迅速回升可能加速了氣泡碎化的過程。

(3) 湍動能分布表明，近擴張段的入口處湍動能相對較大，較大的湍動能表明氣液兩相能量交換強烈，強烈的湍流能產生強烈的剪切應力，使氣液兩相彼此剪切、破碎，并充分混合。

1 Robertson R C. MSRE design and operation report I[R]. ORNL-0728, U.S. Atomic Energy Commission, 1965: 205-243

2 Hinze J O. Fundamentals of the hydrodynamic mechanism of splitting in dispersion processes[J]. American Institute of Chemical Engineers, 1955, 1(3): 289-295

3 Fujiwara A. Bubble breakup phenomena in a Venturi tube[C]. San Diego, California USA, 2007

4 Yasumichi N. Study on bubble breakup mechanism in a Venturi tube[C]. Hamamatsu, Shizuoka, Japan, 2011

5 王福軍. 計算流體動力學分析[M]. 北京: 清華大學出版社, 2011 WANG Fujun. The analysis of computational fluid dynamics[M]. Beijing: Tsinghua University Press, 2011

6 唐文偲, 閻昌琪, 孫立成, 等. 文丘里式氣泡發(fā)生器氣泡碎化特性研究[J]. 原子能科學技術, 2014, 48(5): 845-848 TANG Wencai, YAN Changqi, SUN Licheng, et al. Characteristics of bubble breakup in venturi-type bubble generator[J]. Automic Energy Science and Technology, 2014, 48(5): 845-848

CLCTL334

Analysis of the operating characteristics of a Venturi-type bubble generator for MSR

JU Xiaofeng1SUN Licheng2TANG Wencai1YUN Hongyu1YAN Changqi1
1(Fundamental Science on Nuclear Safety and Simulation Technology Laboratory, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China) 2(College of Hydraulic and Hydra-electric Engineering, Sichuan University, Chengdu 610207, China)

Background: Bubble generator is a key device in the off-gas removal system of the molten salt reactor (MSR) for breaking up the carrier gas into tiny bubbles. Purpose: The distribution rules of velocity, pressure and turbulent kinetic energy along the flow direction of the Venturi bubble generator were analyzed with the software FLUENT. Methods: Based on the experimental water loop with the target bubble generator, numerical simulation using FLUENT was performed. Both the multiphase model (Mixture), standard k-ε turbulent model were adopted and the SIMPLEC method was employed to get the coupled solutions. Results: The distribution of velocity along the flow direction shows that the air is entrained by the water flew in the throat section and the air flew close to the wall of the generator. The speed of air is reduced significantly in the diverging portion of the bubble generator. The velocity gradient creates great shear stress, making the bubbles break up. The distribution of pressure shows that the peak of the pressure gradient appears at the entrance of the diverging portion of the bubble generator. The numerical results are very close to the data in the experiment, which indicates that the quick recovery of pressure may accelerate the breakup of bubble. The turbulent kinetic energy peaks at the entrance of the diverging portion of the bubble generator, which suggests that strong energy exchange there, resulting in strong shear stress to break up the bubbles. Conclusion: The large velocity gradient and the peak of turbulent kinetic energy at the entrance of the diverging portion of the bubble generator cause great shear stress, which is the reason for the bubble breakup taking place intensively there.

Molten salt reactor (MSR), Bubble generator, Bubble breakup, Numerical study

TL334

10.11889/j.0253-3219.2014.hjs.37.120605

項目(No.51376052)、 四川大學科研啟動基金(No.YJ201432)資助

居曉峰，男，1989年出生，2012年畢業(yè)于南京工程學院，現(xiàn)為碩士研究生，研究方向為反應堆熱工水力

孫立成，E-mail: leechengsun@sohu.com

2014-08-11，

2014-09-07