張美鳳， 常重喜， 納紅衛(wèi)， 馬喜強， 顏令博

(1. 浙江科路核工程服務有限公司，浙江嘉興 314300； 2. 華能山東石島灣核電有限公司，山東威海 264200； 3. 上海核工程研究設計院有限公司，上海 200233)

常規(guī)凝汽式機組汽輪機低壓缸末幾級及壓水堆核電站機組汽輪機全部級組都在濕蒸汽區(qū)工作。隨著蒸汽濕度的增加，濕蒸汽使汽輪機效率降低，濕蒸汽中的液滴使汽輪機動葉片受到磨損[1-2]。因此，對進入汽輪機的蒸汽進行汽水分離，從而提高蒸汽品質顯得至關重要，不僅可以保證機組安全穩(wěn)定運行，還可以提高機組的經濟性。

為了保證動力設備的安全經濟運行，蒸汽進入汽輪機前必須進行汽水分離。汽水分離原理的不同，分離器的結構也各不相同。工程中采用的汽水分離裝置有波形板汽水分離器和旋風分離器。旋風分離器是汽液兩相分離中常用的裝置之一，它利用汽液兩相受到的離心力不同來進行分離。帶有液滴的濕蒸汽進入旋風分離器后，在旋風分離器內做旋轉運動，旋轉的蒸汽使得液滴受到離心力作用運動到錐體內壁，沿壁面下滑，進而從旋風分離器底部出口排出。下旋蒸汽因自身的黏滯性，逐步發(fā)展成為類似剛體旋轉的氣流，當氣流到達旋風分離器端部時因不能繼續(xù)下旋而折轉方向，最終從旋風分離器上部出口排出[3-4]。筆者采用FLUENT計算流體力學數值模擬分析軟件對旋風分離器內汽液兩相流動進行數值模擬分析，總結旋風分離器內汽液兩相流動規(guī)律，以進一步提高旋風分離器內汽水分離效率。

1 旋風分離器的工作原理

切向進汽的旋風分離器，其分離原理為篩分理論(平衡軌道理論)[5-6]。在旋風分離器內，液滴在徑向受到向外的離心力；同時，液滴隨高速旋轉的蒸汽盤旋，又受到向心流場的空氣曳力。這兩種力的方向相反,液滴能否被分離取決于這兩種力的大小。

在旋風分離器中，液滴受到的離心力和空氣曳力為：

(1)

FS=6πμurdp

(2)

式中：FD為離心力；ρp為液滴的密度；ur為液滴速度；r為旋轉半徑；dp為液滴半徑；FS為空氣曳力；μ為液滴的黏度。

液滴所受的離心力和液滴的大小有關，即液滴粒徑D越大，離心力也就越大。因此，對于液滴必然有一個臨界粒徑Dc：當D>Dc時，液滴所受向外的力大于向內的力，液滴將向旋風分離器外壁面移動，最終被分離；當D

2 汽液兩相流動數值計算

2.1 汽液兩相流動控制方程

旋風分離器內是復雜的汽液兩相流動，在數值模擬時要將兩相流動分開研究，不考慮液相與汽相之間的相互作用，采用非耦合模型，在拉格朗日坐標系下跟蹤并模擬液滴的運動軌跡[7]。在計算旋風分離器汽相流場時，先假定流場中不存在液相，只把流體當作連續(xù)介質，在歐拉坐標系中處理連續(xù)的流體相，從而得到單獨的汽相流場；在處理液相時，采用分散介質模型，基于汽相流場的計算結果和作用在液滴上的曳力和其他作用力，在拉格朗日坐標系下把液滴作為離散介質處理，模擬得到液滴的運動軌跡。

2.1.1 汽相流動控制方程

旋風分離器中的蒸汽流動是三維強旋轉湍流流動，假定旋風分離器內的流動為恒溫、不可壓縮流動，模擬其內部的流動首先需要建立湍流基本方程組，即連續(xù)性方程和N-S方程。連續(xù)性方程為：

(3)

式中：ui為流體在i方向的速度；xi為流體在i方向的空間坐標。

N-S方程為：

(4)

式中：ρ為流體密度；p為流體壓力；xj為流體在j方向的空間坐標；uj為流體在j方向的速度；δij為流體黏性系數。

(5)

(6)

式中：t為時間；k為湍動能；ε為耗散率；σk為湍流Prandtl數；μeff為有效速度；Prσ為有效普朗特數；Gk為由于平均速度梯度產生的湍動能。

2.1.2 液相流動控制方程

為了研究液滴的運動規(guī)律，需要建立其運動方程，計算并跟蹤液滴的運動軌跡。采用基于拉格朗日坐標系下的隨機軌道模型來模擬液滴的運動軌跡[9, 11]。該模型忽略相變過程，單顆液滴的運動方程可通過牛頓第二定律表示，即

(7)

液滴在湍流場中會產生擴散，若對其加以考慮，則液滴在拉格朗日坐標系中的運動方程為：

(8)

式中：up為X軸方向的速度；vp為Y軸方向的速度；wp為Z軸方向的速度；τ為液滴松弛時間；u、v、w分別為三個坐標方向氣流的平均速度；u′、v′、w′分別為三個坐標方向氣流的隨機脈動速度。

假定汽相湍流場是局部均勻且各向同性的，則

(9)

將計算得出的液滴速度進行積分即可得到液滴的運動軌道。

2.2 幾何模型的建立

旋風分離器的幾何模型見圖1。采用GAMBIT前處理器分區(qū)域生成三維多塊網格，計算區(qū)域分為環(huán)形筒體、圓柱段分離空間、圓錐段分離空間、進汽管道部分和出汽管道部分5個區(qū)域，其中出汽管道用Pave法生成非結構化網格，其余部分劃分為結構化六面體網格(見圖2)。

圖1 旋風分離器的結構示意圖

圖2 出汽管道橫截面網格和計算域內三維網格

2.3 計算模型和邊界條件的處理

旋風分離器中的蒸汽流動是三維湍流強旋流流動，所以控制方程中必然要引入湍流模型。選擇考慮了旋轉效應的RNGk-ε模型對汽相流場進行模擬，從而提高計算的精度。使用標準的壁面函數法來計算壁面的切應力，并選Swirl dominated flow選項，考慮流動中的旋流。

采用高精度QUICK差分格式對湍流方程和動量方程進行離散處理；壓力方程式用PRESTO格式離散，可以很好地給出切向速度分布；為提高收斂速度，采用非交錯網格下的SIMPLEC算法進行數值求解。

旋風分離器入口設為速度入口，速度設為30 m/s。排汽口處的湍流已充分發(fā)展，設為自由流出口。壁面采用無滑移邊界條件，粗糙度為0.5。工作壓力設為標準大氣壓。液滴的密度為1 000 kg/m3，從旋風分離器入口均勻噴射，速度與汽相速度相等；當液滴運動到壁面時，認為液滴被反射回來參與下一個旋轉的計算，設壁面離散相(DPM)邊界條件為反射(REFLECT)；液滴運動到排汽口時便從出口逃逸，設出口DPM邊界條件為逃逸(ESCAPE)。

3 數值模擬結果分析

不同橫截面處速度矢量及中心縱截面速度矢量見圖3。由圖3可以看出：蒸汽進入旋風分離器后，在壁面的約束下形成向下的外層渦旋流動，當蒸汽到達旋風分離器底部時，蒸汽又向上形成內部的渦旋流。由此可知，旋風分離器內的蒸汽為外部向下旋轉而內部向上旋轉的方向相同的雙層流。在旋風分離器的中心形成汽柱，其速度低于外層氣流。旋風分離器上游區(qū)域的速度分布對稱性較差，隨著進汽口速度的增大，越趨向于下游，速度分布的對稱性越好。

圖3 速度矢量分布

在主流區(qū)還伴隨很多二次流現象。由圖3(b)可以看出：部分蒸汽進入旋風分離器后，在環(huán)形空間內沿壁面向上流動，當碰到上頂板時，就沿著出汽管道外壁向下，這樣在環(huán)形空間內就形成了一種內部縱向環(huán)流，使部分液滴被氣流帶到頂板而無法分離。氣流沿出汽管道外壁下落會導致末端進口的徑向速度增大，因此會有一小部分蒸汽從進汽口進入后直接從出汽管道排出，其中會夾帶一部分液滴，使分離效率下降。

切向速度在旋風分離器內的液滴分離中占主導地位，液滴在切向速度的帶動下旋轉，在離心力的作用下甩向壁面而被分離出來；離心力越大，分離效果越好。

旋風分離器的結構使得蒸汽在流動過程中轉動半徑逐漸減小，角速度逐漸增大，切向速度也逐漸增大；而在漩渦的中心部分，切向速度又逐漸趨于零。

旋風分離器內切向速度的分布見圖4。

圖4 切向速度云圖

由圖4可以看出：蒸汽進入旋風分離器后開始加速，達到圓柱段時速度已經達到入口蒸汽速度的2倍，隨后繼續(xù)加速，并且在轉彎處達到最大。隨著氣流沿筒壁的繼續(xù)旋轉，進入錐形段后切向速度逐漸降低，中心汽柱的切向速度明顯比外層渦旋氣流的速度低。總體來說，絕大部分氣流的切向速度都是負值，但也有小部分流體的切向速度為正值，這也可以說明流動中出現了二次流。

旋風分離器內部氣流強烈的旋轉運動使得壓降問題很復雜。旋風分離器內部的壓降包括：進汽管道的摩擦損失，氣體進入旋風分離器后流動空間突然加大造成的能量損失，旋風分離器內氣體旋轉而產生的動能損耗，氣體在旋風分離器中與壁面摩擦所引起的能量損失，進入排汽管道時流道突然縮小造成的能量損失等。旋風分離器內中心縱向截面的壓力分布見圖5～圖7。

圖5 靜壓分布云圖

圖6 動壓分布云圖

圖7 總壓分布云圖

在強旋流中，靜壓一般主要取決于切向速度。由圖5可以看出:靜壓分布沿軸線表現出很好的對稱性。隨著旋轉半徑的減小，壓強逐漸降低，中心軸線附近處的靜壓遠遠低于入口，即旋風分離器內外旋流的壓強較高，內旋流的壓強較低。旋風分離器底部出口為真空狀態(tài)，容易出現氣流的滯留和回流現象，外部氣體也很容易被吸入旋風分離器內，對分離造成很大的影響。

由動壓方程可知，在流體密度不變的情況下，動壓的分布實際上反映了氣流速度的分布。氣流速度為切向速度、軸向速度和徑向速度的合速度，切向速度在合速度中起主要作用。因此，動壓的分布與切向速度的分布趨勢比較接近。旋風分離器的旋轉氣流是由外漩渦以加速方式流向內漩渦構成的，這個流動過程符合動量矩守恒原理或者角動量守恒原理。氣流在旋風分離器內的流動是一個靜壓轉換成動壓的過程，表現為靜壓逐漸降低、動壓逐漸升高[9]。

總壓是靜壓和動壓之和，比較圖5和圖6可以看出，總壓與靜壓的分布類似。根據伯努利方程，在溫度相等的情況下，總壓所反映的是流體總的可用能量，總壓的降低意味著流體能量的損失。由圖7可以看出，在旋風分離器中心部分，壓強很小，能量損失很大。

在上述計算所得到的汽相流場中直接加入不同粒徑的液滴，模擬其運動軌跡，結果見圖8。

圖8 不同粒徑液滴的運動軌跡

由圖8(a)可以看出：粒徑為1 μm的液滴隨氣流的追隨性較好，從噴射的入口處隨氣流一起向下運動，部分液滴到達錐形灰斗后又隨內部的上升氣流螺旋上升，從排汽管道排出；但有部分液滴在沒有到達底部時就隨內旋氣流上升并直接從排汽管道排出，這是由旋風分離器內部的二次流現象決定的。

對比圖8(b)和圖8(c)可以看出：粒徑為5 μm的液滴在離心力的作用下被甩向壁面，部分沿壁面螺旋下滑至旋風分離器底部錐形灰斗，從而被分離出來；粒徑為10 μm的液滴在旋風分離器的環(huán)形空間的頂部做圓周運動，形成了灰頂環(huán)，液滴不能被分離出來。

4 結語

濕蒸汽問題由來已久，尤其是核電汽輪機蒸汽濕度比較大，為了保證汽輪機的安全高效運行，必須對濕蒸汽進行汽水分離，旋風分離器利用汽液兩相不同的離心力來進行分離。

模擬得到了旋風分離器內的液滴運動軌跡，分析表明，小粒徑的液滴隨氣流的追隨性較好，會從排汽口排出，分離效率較低；臨界粒徑的液滴將會在離心力的作用下被甩向壁面從而被分離出來；過大粒徑的液滴會在旋風分離器的環(huán)形空間頂部做圓周運動，液滴不能被分離出來。

旋風分離器內部的流場結構非常復雜，模擬計算中容易出現二次流現象，影響分離結果。通過控制蒸汽的入口流速可以有效減小或者避免二次流的影響，從而達到較好的分離效果。