王 博，劉海軍，張 果

(中國核電工程有限公司，北京 100840)

隨著我國城鎮(zhèn)化發(fā)展和工業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn)，我國對(duì)能源的需求量也在不斷增加。同時(shí)，為保證可持續(xù)綠色發(fā)展的道路，在保證能源供給的情況下，對(duì)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)要求越來越嚴(yán)格。因此，我國必須執(zhí)行清潔環(huán)保、節(jié)能高效、不斷創(chuàng)新的能源發(fā)展策略。核電作為一種清潔高效的新型能源，能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，保障能源供給，減少污染物和溫室氣體排放等功能，已經(jīng)成為我國能源發(fā)展戰(zhàn)略的重點(diǎn)。隨著我國核電走出去戰(zhàn)略的提出，對(duì)我國核工業(yè)提出更高的要求，核能技術(shù)也面臨著新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇[1-3]。

核反應(yīng)堆使用后的核燃料我們稱為乏燃料，乏燃料后處理是指通過相應(yīng)技術(shù)，將乏燃料中的鈾钚材料提取出來制成新的核燃料，同時(shí)，將其中的高反射性廢物進(jìn)行玻璃化處理，并做深地填埋處理[4-5]。通過乏燃料后處理技術(shù)解除其對(duì)環(huán)境保護(hù)和人類活動(dòng)的后顧之憂，能夠有效保障核能的可持續(xù)發(fā)展[6]。

一種典型的水法乏燃料后處理技術(shù)為硝酸鈾酰脫硝流化床技術(shù)，它通過把乏燃料-硝酸鈾酰水溶液的形式進(jìn)行收集，然后在脫硝流化床中進(jìn)行反應(yīng)，得到產(chǎn)物為三氧化鈾，最后利用還原技術(shù)得到金屬鈾。反應(yīng)過程中，反應(yīng)溶液的破碎霧化效果對(duì)其在流化床內(nèi)的脫硝反應(yīng)具有重要影響?？諝廨o助式霧化噴嘴是常用的霧化設(shè)備之一，能夠在較低的壓力下獲得良好的霧化效果，能用來實(shí)現(xiàn)硝酸鈾酰這種高粘度的溶液的霧化[7-10]。由于核乏料仍然具有一定的放射性，所以很難通過實(shí)驗(yàn)手段來測試硝酸鈾酰的霧化過程。近年來，隨著計(jì)算流體力學(xué)(CFD)的發(fā)展，通過數(shù)值模擬的方法可以很好的進(jìn)行噴嘴霧化過程的模擬，為硝酸鈾酰乏燃料的后處理技術(shù)提供理論指導(dǎo)[11-16]。

本文采用歐拉-拉格朗日方法模擬了一種用于脫硝流化床的空氣輔助霧化噴嘴的霧化特性，分別計(jì)算了噴嘴內(nèi)氣/液單相的流動(dòng)過程和噴嘴外氣/液兩相的霧化過程。針對(duì)硝酸鈾酰乏燃料的霧化過程，研究噴嘴入口氣體入口壓力變化對(duì)乏燃料霧化效果的影響，模擬得到了硝酸鈾酰水溶液霧化后的霧滴尺寸和霧滴速度等參數(shù)的分布特性。

1 物理模型

噴嘴的物理結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括噴頭座、中段接管、進(jìn)氣接管三個(gè)主要?dú)庀噍斔徒Y(jié)構(gòu)、以及液相輸送結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)中采用的噴頭螺紋線數(shù)為3，螺距為13.5 mm，螺紋牙寬2.25 mm，螺紋牙深為2 mm。

圖1 噴嘴結(jié)構(gòu)剖面示意圖

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 單相流模型

針對(duì)單相流動(dòng)過程，滿足基本的控制方程，主要包括如下守恒方程。

質(zhì)量守恒方程

(1)

動(dòng)量守恒方程

(2)

(3)

能量守恒方程

·(keff

(4)

式中v——流體的速度矢量;

ρ——流體的密度；

ρg和F——質(zhì)量力;

p——靜壓;

I——單位張量;

μ——分子粘度;

Jj——組分j的擴(kuò)散通量;

keff——有效熱傳導(dǎo)。計(jì)算過程中，湍流模型采用k-ε湍流模型。

2.2 兩相流模型

針對(duì)噴嘴外液體霧化過程是一種氣液兩相流動(dòng)過程，本文通過了歐拉-拉格朗日方法進(jìn)行了連續(xù)相和離散相的耦合計(jì)算，并進(jìn)行連續(xù)場和離散場耦合迭代計(jì)算。

2.3 噴嘴及破碎模型

本文選擇了空氣輔助霧化噴嘴模型和動(dòng)態(tài)曳力模型進(jìn)行計(jì)算，破碎模型選擇了KH-RT破碎模型。曳力系數(shù)表達(dá)式為

Cd=Cd,sphere(1+2.632y)

(5)

其中y為液滴相對(duì)形變量，由以下方程決定

(6)

當(dāng)沒有發(fā)生變形(y=0)時(shí)，將會(huì)得到球形液滴的曳力系數(shù)，當(dāng)發(fā)生最大變形(y=1)時(shí)，將會(huì)得到盤形液滴的曳力系數(shù)。其中CF、Ck和Cb為無量綱常數(shù)，CF=1/3，Ck=8，Cb=0.5。

2.4 初始及邊界條件

給定噴嘴運(yùn)行的邊界條件，包括壓力入口、壓力出口等氣相流動(dòng)的邊界條件和質(zhì)量流量入口、壓力出口等液相流動(dòng)的邊界條件，如表1所示。氣體模型選擇為可壓縮理想氣體。

表1 邊界條件

2.5 網(wǎng)格劃分

在網(wǎng)格劃分的過程中，考慮到不同區(qū)域結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，對(duì)部分區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，部分區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，如圖2所示，減小計(jì)算量。

圖2 噴嘴氣相網(wǎng)格劃分

圖3給出了噴嘴外霧化場的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，采用2維軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，對(duì)霧化場中的網(wǎng)格進(jìn)行了結(jié)構(gòu)化劃分。在噴嘴的出口附近增加了網(wǎng)格數(shù)量，以提高計(jì)算的準(zhǔn)確度。

圖3 霧化場網(wǎng)格劃分

3 結(jié)果與討論

3.1 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證噴嘴內(nèi)氣相流動(dòng)計(jì)算網(wǎng)格的正確性，設(shè)計(jì)了四套網(wǎng)格(網(wǎng)格數(shù)分別為57萬、150萬、400萬和700萬)，對(duì)氣相在噴嘴內(nèi)的流動(dòng)過程進(jìn)行了網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，圖4給出了四套不同網(wǎng)格數(shù)量下噴嘴內(nèi)出口附近，從螺紋通道出口到噴嘴出口處中心線上氣相速度分布曲線，從圖中可以看出，網(wǎng)格數(shù)為57萬時(shí)模擬結(jié)果與其他三套網(wǎng)格略有偏差，其他三套網(wǎng)格模擬結(jié)果基本穩(wěn)定，對(duì)出口附近的速度分布幾乎沒有影響，說明選用的網(wǎng)格數(shù)合理。綜合考慮計(jì)算精度和小結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確表達(dá)，本文后續(xù)計(jì)算中選用的網(wǎng)格數(shù)量為400萬個(gè)網(wǎng)格。

圖4 噴嘴內(nèi)氣相流動(dòng)過程的網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

3.2 噴嘴內(nèi)氣相流動(dòng)特性

圖5中給出了不同入口氣體壓力條件下，噴嘴內(nèi)的氣體流線圖。氣體從噴嘴入口進(jìn)入管內(nèi)，流經(jīng)彎管之后進(jìn)入主管道，在尾部先進(jìn)入螺紋通道，然后經(jīng)過尾部的縮擴(kuò)管，流出噴嘴。流線的顏色代表著氣體流動(dòng)速度，從圖中可以看出，在噴嘴內(nèi)流動(dòng)過程中，進(jìn)入螺紋通道前氣流速度較小且流速較為均勻，進(jìn)入螺紋通道后流速突然變大，這是由于氣體的流通截面積突然減小，使得氣體被壓縮，速度增大。

圖5 不同入口壓力情況下噴嘴內(nèi)氣體流線圖

圖6中的(a)到(d)分別給出了入口氣體壓力為0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa和0.5 MPa時(shí)，噴嘴中的壓力分布圖。從圖中可以看出，氣體壓力在螺紋通道中變化較大，之前變化不大。噴嘴出口附近，隨著空氣流通截面積的先減小后增大，形成縮放型噴管，氣相壓力先增大后減小。隨著入口處的氣體壓力值逐漸增大，碰嘴中的壓力值也逐漸增大。

圖6 不同入口氣體壓力下噴嘴內(nèi)氣相壓力分布圖

圖7中的(a)到(d)分別給出了入口氣體壓力為0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa和0.5 MPa時(shí)，噴嘴中的氣相速度分布圖。從圖中可以看出，氣體速度在螺紋通道中變化較大，之前變化不大。噴嘴出口附近，隨著空氣流通截面積的先減小后增大，形成縮放型噴管，氣相壓力先增大至音速，然后進(jìn)一步增大至超音速。隨著入口處的氣體壓力值逐漸增大，碰嘴中的速度值也逐漸增大。

圖7 不同入口氣體壓力下噴嘴內(nèi)氣相速度分布圖

綜合以上內(nèi)容，可得到入口氣體壓力為0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa和0.5 MPa時(shí)，噴嘴中的壓力場分布、溫度場分布、速度場分布、出口軸向速度、出口溫度、出口徑向速度、出口總速度以及出口切向速度等參數(shù)，如表2所示。

表2 數(shù)值模擬噴嘴參數(shù)匯總

3.3 噴嘴外霧化特性

從圖8中可以看出，霧滴主要向前噴射，霧化液滴空間分布均勻且飽滿。霧滴粒徑集中分布在0～20 μm，噴射貫穿距離約為0.267 m。入口處霧滴軸向速度較大，因此霧化液滴向前貫穿噴射；徑向速度較小，霧滴在壓力作用下以“離心”的方式以一定霧化錐角向徑向擴(kuò)散。霧化液滴噴射范圍與中心軸線位置形成一定的“真空區(qū)”，這可能是由于霧化液滴在徑向方向存在速度分量，因此霧滴以錐形面向前噴射，導(dǎo)致中間存在一定的“真空區(qū)”，隨著噴射距離的增加，中心“真空區(qū)”逐漸消失，錐形面上的霧化液滴向中心軸線處收縮。在標(biāo)準(zhǔn)工況下，液滴基本霧化完全，霧化效果良好。

圖8 噴嘴外霧化場霧化特性(壓力=0.4 MPa)

圖9給出了標(biāo)準(zhǔn)工況下霧化場中霧化液滴粒徑概率分布。從圖中可以看出，霧滴直徑主要分布在0～40 μm范圍內(nèi)。在標(biāo)準(zhǔn)工況下，霧滴粒徑主要分布在0～20 μm，占比約為92.485%，其中0～10 μm約占45.260%，10～20 μm約占47.225%。

圖9 準(zhǔn)工況下霧化場中液滴粒徑概率分布

圖10給出了四種不同入口壓力條件下霧化場中索特平均直徑和貫穿距離分布情況。從圖中可以看出，隨著壓強(qiáng)的增大，索特平均直徑逐漸減小，貫穿距離逐漸增大，霧化效果更好。這可能是由于隨著氣體壓力的增大，氣體對(duì)液滴的“破碎效果”逐漸增強(qiáng)，同時(shí)氣體對(duì)霧化液滴的向前“推動(dòng)”作用增強(qiáng)，從而導(dǎo)致貫穿距離逐漸增大。此外，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，索特平均直徑的變化趨勢與貫穿距離的變化趨勢相反。隨著壓力的增加，索特平均直徑減小速率逐漸趨于平穩(wěn)。因此推測，再進(jìn)一步增加入口壓力對(duì)索特平均直徑影響較小，但對(duì)貫穿距離影響較大。

圖10 霧化場中霧滴索特平均直徑分布及貫穿距離分布(不同空氣入口壓力)

4 結(jié)論

針對(duì)乏燃料后處理流化床中的利用空氣輔助霧化噴嘴進(jìn)行硝酸鈾酰料液霧化的過程，利用歐拉-拉格朗日模擬方法對(duì)其霧化特性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，不同氣體入口壓力條件下的霧化特性，獲得了如下結(jié)論：

(1)針對(duì)噴嘴內(nèi)氣體的單相可壓縮流動(dòng)過程，氣體的壓力、速度和溫度只在噴嘴出口附近壓力發(fā)生顯著變化，并且隨著入口氣體壓力的增大，出口速度逐漸增大，出口壓力逐漸減小，出口溫度逐漸降低。

(2)針對(duì)噴嘴外的霧化特性模擬，獲得了霧滴的索特平均直徑，軸向速度和徑向速度分布，在入口氣體壓力為0.4 MPa時(shí)，霧滴粒徑主要分布在0～20 μm范圍內(nèi)，噴射貫穿距離約為0.267 m。隨著氣體入口壓力從0.2 MPa到0.5 MPa逐漸增大，其索特平均直徑逐漸減小，貫穿距離逐漸增大，霧化效果更好。