張娜娜，閻昌琪，孫立成，蔡報(bào)煒

(哈爾濱工程大學(xué) 核安全與仿真技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001)

熔鹽堆運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)不斷產(chǎn)生中子吸收截面較大的裂變氣體，如氙等，嚴(yán)重影響堆內(nèi)反應(yīng)性的相對(duì)穩(wěn)定，必須將其去除[1]。傳統(tǒng)旋流分離器[2-3]流動(dòng)阻力大，尤其不利于高黏度液體中小氣泡的分離。為了滿(mǎn)足熔鹽堆的分離要求，有必要研制更有效的氣泡分離設(shè)備。前端安裝攪混葉片、后端安裝恢復(fù)葉片且兩端均設(shè)置出氣管的軸流旋葉式氣泡分離器，具有結(jié)構(gòu)緊湊、分離效率高、工作范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，足以滿(mǎn)足熔鹽堆的除氣要求。對(duì)于該設(shè)備的研制，實(shí)驗(yàn)研究周期長(zhǎng)、費(fèi)用高。另外，熔鹽堆運(yùn)行溫度較高，且熔鹽具有高腐蝕性，所以利用熔鹽直接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)還存在較大難度。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展，數(shù)值模擬方法已成為離心分離設(shè)備研究的關(guān)鍵[4-5]。本文采用雷諾應(yīng)力模型對(duì)單相水工況下氣泡分離器的流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，研究邊界條件變化對(duì)分離性能的影響，并與水實(shí)驗(yàn)回路中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，在探明分離器工作原理的基礎(chǔ)上，為設(shè)計(jì)適用于熔鹽堆脫氣系統(tǒng)的分離器提供設(shè)計(jì)參考。

1 液相流場(chǎng)計(jì)算

熔鹽堆中裂變氣體及其載氣的含量很少，體積份額不足0.3%，且氣泡平均直徑只有0.5 mm左右，對(duì)流場(chǎng)分布等影響很小，因此，在研究氣泡分離器內(nèi)部流場(chǎng)時(shí)可忽略氣體的影響。此外，為了便于與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，文中數(shù)值模擬以單相水為工質(zhì)，作為水實(shí)驗(yàn)回路中氣泡分離器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，同時(shí)為兩相流研究及熔鹽模擬做鋪墊。

1.1 氣泡分離器結(jié)構(gòu)

采用Solidworks軟件建立氣泡分離器試驗(yàn)件的幾何模型，如圖1所示。主要由攪混葉輪、恢復(fù)葉輪、筒體以及與輪軸中孔相連的前、后出氣管組成。其中筒體直徑為50 mm，輪軸直徑為20 mm，根據(jù)分離器的工作原理，氣液混合物首先在攪混葉片的作用下變?yōu)楦咚傩D(zhuǎn)流，并在氣液分離區(qū)形成強(qiáng)離心力場(chǎng)。氣泡不斷向分離器中心聚積，形成連續(xù)氣芯，氣芯貫穿兩端輪軸中孔，由前、后出氣管排出。分離后的液體經(jīng)恢復(fù)葉片導(dǎo)流后流出分離器，完成氣液分離。

圖1 氣泡分離器

1.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分使用gambit軟件，分塊采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，如圖2所示。對(duì)于網(wǎng)格敏感性驗(yàn)證，選取100萬(wàn)、140萬(wàn)、200萬(wàn)、260萬(wàn)、300萬(wàn)5種情況進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果表明，網(wǎng)格數(shù)大于100萬(wàn)，模擬結(jié)果變化小于5%，選取網(wǎng)格數(shù)140萬(wàn)，網(wǎng)格質(zhì)量檢查能滿(mǎn)足數(shù)值計(jì)算的要求。

1.3 湍流模型的選擇與求解控制

雷諾應(yīng)力模型完全拋棄各向同性的渦黏性假設(shè)[6-7]，直接求解以雷諾應(yīng)力為變量的輸運(yùn)方程，考慮了湍流的各向異性，較各向同性的兩方程模型更適用于氣泡分離器中旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)的數(shù)值模擬。針對(duì)湍流模型的選擇及控制方程的離散，前人已做了大量研究。張建等[8-9]采用雷諾應(yīng)力模型對(duì)Stairmand等類(lèi)型的旋風(fēng)分離器進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明，速度分布與實(shí)驗(yàn)值吻合較好。魏新利等[10-12]則研究了湍流模型選擇及求解器參數(shù)設(shè)置對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。基于以上研究，本文采用二次壓應(yīng)力雷諾應(yīng)力瞬態(tài)模型[13]，壓力的插值選擇PRESTO格式，對(duì)流項(xiàng)選用二階迎風(fēng)離散格式，雷諾應(yīng)力項(xiàng)的離散則采用一階迎風(fēng)格式。

a、b——攪混葉片體網(wǎng)格和面網(wǎng)格；c、d——恢復(fù)葉片體網(wǎng)格和面網(wǎng)格

1.4 邊界條件

邊界條件列于表1。由于氣泡分離器橫向布置，故忽略重力，設(shè)置參考?jí)毫榇髿鈮?，其中兩端出氣管出口分別定義為前、后出水口。

表1 邊界條件

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 切向速度分布

圖3a示出質(zhì)量流量為5 kg/s、分離器出口壓力為40 kPa時(shí)，z軸不同位置處氣泡分離器內(nèi)切向速度沿徑向的分布。可見(jiàn)隨半徑的增加切向速度先增大，達(dá)到一峰值后迅速降低，符合中間為強(qiáng)制渦周?chē)鸀樽杂蓽u的組合渦的分布規(guī)律。另外，隨軸向距離的增加，切向速度在自由渦區(qū)域出現(xiàn)衰減，而在強(qiáng)制渦區(qū)域切向速度基本不變，表明自由渦區(qū)域內(nèi)相鄰流層間沿軸向存在較大的剪切力，這是氣泡主要在此區(qū)域發(fā)生碎化的原因之一，氣泡的碎化會(huì)加大氣液分離難度。

氣泡分離器出口壓力變化對(duì)切向速度分布的影響如圖3b所示。在z=350 mm、質(zhì)量流量為5 kg/s時(shí)，分離器中心附近的強(qiáng)制渦區(qū)域內(nèi)，切向速度隨出口壓力的增加而增大。Amini等[14]、郭廣東等[15]對(duì)分離器內(nèi)的離散相進(jìn)行了受力分析，結(jié)果表明，切向速度越大，離散相被分離的概率就越高，所以保持液相流量不變，適當(dāng)增加出口壓力有利于氣液分離。

2.2 壓力分布

圖4a示出了質(zhì)量流量為5 kg/s、z=200 mm、出口壓力分別為20、30、40、50 kPa時(shí)，氣泡分離器內(nèi)靜壓在徑向上的分布?？梢?jiàn)，4種工況下，壓力在徑向上呈現(xiàn)相同的變化趨勢(shì)，由筒壁到中心，靜壓逐漸降低，且壓力梯度逐漸增大，最終在筒體中心形成低壓區(qū)。通過(guò)對(duì)4條曲線(xiàn)的比較，發(fā)現(xiàn)徑向壓降和壓力梯度均隨分離器出口壓力的增加而有所增加。由于壓力梯度力是使氣泡產(chǎn)生向心運(yùn)動(dòng)的主要作用力，所以，質(zhì)量流量相同條件下，分離器出口壓力升高利于氣泡的分離。

圖3 切向速度分布

圖4 靜壓分布

圖4b為質(zhì)量流量3 kg/s、分離器出口壓力50 kPa工況下不同軸向位置處的靜壓分布?？砂l(fā)現(xiàn)，靜壓沿z方向上的變化趨勢(shì)約在半徑的1/2處發(fā)生轉(zhuǎn)變，分界點(diǎn)外側(cè)，靜壓沿軸向逐漸降低；分界點(diǎn)內(nèi)側(cè)，靜壓則沿軸向逐漸升高。靜壓的這種分布是導(dǎo)致分離器中心流體流動(dòng)在分離器半徑的1/3附近發(fā)生轉(zhuǎn)向，軸向速度由正變負(fù)的原因之一。連接軸向速度為零的點(diǎn)形成軸向零速包絡(luò)面，該面將氣液分離區(qū)分割成旋轉(zhuǎn)方向相同、軸向速度方向相反的兩個(gè)區(qū)域，如圖5所示，外部的流體軸向速度為正，由后出水口流出，形成外旋流，內(nèi)旋流反之。

圖5 流場(chǎng)分布

2.3 邊界條件對(duì)軸向零速包絡(luò)面的影響

軸向零速包絡(luò)面由軸向速度為零的點(diǎn)組成，是內(nèi)旋流與外旋流的分界面。圖6示出質(zhì)量流量為3 kg/s時(shí)不同分離器出口壓力條件下的計(jì)算結(jié)果?？砂l(fā)現(xiàn)，零速包絡(luò)面近似為圓柱形，直徑略小于輪軸外徑，且隨分離器出口壓力的增加，零速包絡(luò)面縮短，對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖7所示，圖7中，水流量為12 m3/h，體積含氣率為0.3%，工作介質(zhì)為空氣和水。

分離器出口壓力，kPa：a——30；b——50；c——70

以空氣和水為工作介質(zhì)對(duì)氣泡分離器試驗(yàn)件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，水實(shí)驗(yàn)回路介紹見(jiàn)文獻(xiàn)[16-17]，其中小氣泡由文丘里氣泡發(fā)生器產(chǎn)生。結(jié)果表明，對(duì)應(yīng)同一水流量，系統(tǒng)壓力較高的工況下氣芯是連續(xù)的，貫穿前后出氣口(圖7a)。這是由于氣液分離過(guò)程中，氣泡在徑向上的向心壓力梯度力的作用下，向筒體中心聚積，同時(shí)隨著主流體一同做軸向運(yùn)動(dòng)。在這個(gè)過(guò)程中，大氣泡及距中心較近的氣泡很快運(yùn)動(dòng)至筒體中心，在內(nèi)旋流區(qū)聚合，由前出氣管排出；小氣泡及筒壁附近的氣泡則需較長(zhǎng)的軸向距離，因此隨零速包絡(luò)面的縮短(圖6c)，部分小氣泡及筒壁附近的氣泡會(huì)在零速包絡(luò)面之后聚合，在外旋流區(qū)由后出氣管排出。分離器出口壓力降低，零速包絡(luò)面變長(zhǎng)至恢復(fù)葉片輪軸附近(圖6a)，此時(shí)聚合到筒體中心的氣體幾乎全部需要發(fā)生轉(zhuǎn)向，由前出氣管排出，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖7b所示。氣體在筒體前端聚積，會(huì)增加流體的流動(dòng)損失，降低離心力場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度，不利于氣泡的分離。

a——高壓；b——低壓

3 結(jié)論

用數(shù)值模擬方法對(duì)氣泡分離器內(nèi)單相水流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到如下結(jié)論。

1) 切向速度分布呈現(xiàn)組合渦結(jié)構(gòu)，隨軸向距離的變化，自由渦區(qū)域內(nèi)相鄰流層間存在較大速度差。

2) 分離器內(nèi)沿徑向存在較大壓力梯度，如果有氣泡存在，氣泡則會(huì)在壓力梯度力的作用下產(chǎn)生向心運(yùn)動(dòng)，壓力梯度力增加，能加速氣泡的向心運(yùn)動(dòng)，減少氣泡運(yùn)動(dòng)至氣芯所需的時(shí)間，有利于氣液分離。

3) 保持水流量不變，系統(tǒng)壓力增加，徑向壓降及壓力梯度均有所增大，提高了氣體被分離的概率，增加了氣芯的穩(wěn)定性。系統(tǒng)壓力升高還會(huì)使零速包絡(luò)面縮短，有利于形成連續(xù)氣芯，這對(duì)氣液分離也是有利的。

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