李金瓊，肖笛，吳永兵，黃名越

（貴州永紅航空機(jī)械有限責(zé)任公司 設(shè)計(jì)研發(fā)中心，貴州 貴陽 550000）

0 引言

旋葉式分離器被廣泛應(yīng)用于核電廠蒸汽發(fā)生器、航空環(huán)空系統(tǒng)、船用核動(dòng)力裝置蒸發(fā)器等。其除水效率和壓降流阻是衡量分離器的關(guān)鍵性能指標(biāo)，因此國內(nèi)外學(xué)者就結(jié)構(gòu)尺寸、進(jìn)口粒子直徑大小、旋葉傾角等參數(shù)對(duì)除水效率和壓降流阻的影響展開了一系列的研究。

吳航宇等[1]模擬分析了不同液滴粒徑下效率對(duì)等比例旋葉分離器的旋葉傾角和上升通道高度結(jié)構(gòu)的敏感程度。張墴等[2]人模擬分析了不同液滴大小和入口速度對(duì)除水效率和流阻的影響規(guī)律。楊雪龍等[3]通過研究水滴粒徑對(duì)旋葉式汽水分離器性能的影響，發(fā)現(xiàn)減少和避免小粒徑的產(chǎn)生能有效降低出口濕度和壓損。李亞洲等[4]研究發(fā)現(xiàn)液滴由中等粒徑和小粒徑組合的數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致性較好。李勇等[5]分析了蒸汽流速對(duì)旋葉式分離器的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)液滴粒徑處于某一區(qū)域時(shí)，蒸汽流速對(duì)分離器性能的影響較明顯。徐晗等[6]就有無疏水孔、疏水孔的高度以及疏水孔與空氣速度的相關(guān)性對(duì)分離器分水效率的影響進(jìn)行較為全面的分析。

國內(nèi)外學(xué)者主要就分離器的結(jié)構(gòu)尺寸、進(jìn)口流量、疏水孔等影響因素進(jìn)行單個(gè)或兩個(gè)影響因素的研究分析，少有學(xué)者對(duì)進(jìn)口壓力、進(jìn)口溫度和進(jìn)口流量及粒子直徑大小等進(jìn)行多維度的影響因素敏感性及敏感程度分析，因此，針對(duì)不同進(jìn)口壓力、進(jìn)口流量、進(jìn)口處有無彎道及進(jìn)口溫度等參數(shù)對(duì)旋葉式分離器進(jìn)行了多維度的性能敏感性及敏感程度研究，為將來設(shè)計(jì)和研究旋葉式分離器提供參考。

1 數(shù)值模擬

1.1 計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

計(jì)算模型主要由進(jìn)口段、葉輪部件、汽水分離部分、集水口及出口段組成。如圖1所示。利用Ansys19.2 workbench mesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對(duì)葉片及對(duì)結(jié)果影響較大的部分進(jìn)行局部加密，以提高仿真的計(jì)算精度和準(zhǔn)確度。得到了3套網(wǎng)格方案，方案1的網(wǎng)格數(shù)為1380224，方案2的網(wǎng)格數(shù)為163163、方案3的網(wǎng)格數(shù)為1817580。檢查網(wǎng)格質(zhì)量，滿足仿真計(jì)算要求。進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)，最終取網(wǎng)格總數(shù)為1817580的網(wǎng)格方案3。

圖1 計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

1.2 假設(shè)和邊界條件設(shè)置

本模擬計(jì)算假設(shè)[7]為：（1）液滴通常被視作剛性圓球，并忽略液滴在運(yùn)動(dòng)行進(jìn)中的旋轉(zhuǎn)，僅考慮單個(gè)液滴在蒸汽流場(chǎng)中受到的曳力和重力等；忽略液滴之間的碰撞、聚合等作用，以及液滴自身破碎、蒸發(fā)和冷凝等現(xiàn)象。（2）使用拉格朗日-歐拉方法。（3）指出液滴不僅有在流場(chǎng)中的平移運(yùn)動(dòng)，還有流場(chǎng)不均勻性帶來的轉(zhuǎn)動(dòng)。（4）當(dāng)液滴的體積份額ad＞10-3，就必須考慮液滴碰撞效應(yīng)對(duì)該體系的影響。

采用流量進(jìn)口和壓力出口邊界條件，由于RNGk-ε湍流模型可以較好模擬旋流強(qiáng)度大的流場(chǎng)，因此，基于拉格朗日法、利用RNGk-ε湍流模型和DPM兩模型對(duì)兩相流進(jìn)行雙向耦合，對(duì)不同進(jìn)口壓力、進(jìn)口流量、進(jìn)口處有無彎道及進(jìn)口溫度等參數(shù)對(duì)旋葉式分離器進(jìn)行了多維度的性能敏感性及敏感程度仿真分析。

2 結(jié)果分析

除水效率和流阻的計(jì)算式為：

流阻：

除水效率：

式中：Pinlet為分離器進(jìn)口總壓，Pa；Pescape為分離器出口總壓，Pa；Nuinlet為進(jìn)口液滴總數(shù)；Nuescape為出口液滴總數(shù)。

在進(jìn)口段、葉輪段及出口段徑向、軸向設(shè)置了對(duì)個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置如圖2所示。

圖2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置位置

2.1 進(jìn)口彎管對(duì)除水效率和流阻的影響

本計(jì)算模型之前與散熱器以一定長(zhǎng)度的管路相連接，首先就管路的形式對(duì)分離器性能的影響進(jìn)行分析，采用fluent軟件分別對(duì)不同液滴平均粒徑（rosinrammler分布方式）在進(jìn)口壓力為0.8 MPa、進(jìn)口溫度為10℃下進(jìn)口有無彎管及wandu1、wandu2、wandu3、wandu4、wandu5不同進(jìn)口彎度下進(jìn)行性能分析，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，進(jìn)口處有無彎管對(duì)分離器的除水效率和流阻都存在著影響，當(dāng)有進(jìn)口彎管時(shí)，分水效率會(huì)提高，而流阻稍有減少，基本可認(rèn)為彎管的存在對(duì)分離器的流阻沒有影響，而對(duì)除水效率的影響較大。進(jìn)口彎管的存在，會(huì)使進(jìn)葉輪的粒子預(yù)先受到來自彎管的離心力，進(jìn)而使粒子更充分被分離開，進(jìn)而使除水效率提高。所以為了減少網(wǎng)格數(shù)量和提高計(jì)算效率，后續(xù)分析均是在無進(jìn)口彎管的條件下進(jìn)行工作的展開的。

圖3 有無彎管下分離器的效率和流阻變化

進(jìn)口彎管的存在對(duì)平均粒子直徑越小的除水效率影響更大，而對(duì)平均粒子直徑越大的除水效率影響越小，但彎管的存在都會(huì)提高除水效率；同時(shí)彎管會(huì)降低的分離器的流阻，降低程度與進(jìn)口粒子平均直徑無關(guān)。

如圖4所示，進(jìn)口彎管的彎度對(duì)分離器的流阻影響不大，而對(duì)分離器的除水效率影響呈拋物線曲線關(guān)系分布，存在一個(gè)最優(yōu)進(jìn)口彎度wandu4，使得分水效率最大，除水性能最好。

圖4 進(jìn)口彎管下分離器的效率和流阻變化

2.2 不同參數(shù)對(duì)汽-水分離器性能敏感性影響

因篇幅限制，接下來僅分析在無進(jìn)口彎管下，進(jìn)口溫度、進(jìn)口壓力、粒子直徑及進(jìn)口流量對(duì)汽-水分離器的性能敏感性研究。

2.2.1 不同參數(shù)對(duì)除水效率和流阻的影響

圖5為不同進(jìn)口溫度、進(jìn)口壓力、粒子直徑及進(jìn)口流量下的除水效率及流阻分布曲線。

由圖5（a）可知，進(jìn)口溫度、進(jìn)口壓力、粒子直徑及進(jìn)口流量對(duì)除水效率各不相同：汽-水分離器的效率與流量呈波浪式曲線關(guān)系，進(jìn)口溫度、進(jìn)口壓力及粒子直徑的增加會(huì)使得汽-水分離器的效率增加。各參數(shù)對(duì)除水效率的敏感程度不同，溫度、壓力和流量對(duì)汽-水分離器的效率的敏感性比粒子直徑小，粒子直徑對(duì)汽-水分離器的效率的敏感性最高。

圖5 不同參數(shù)對(duì)分離器的性能影響

就粒子直徑而言，粒子直徑的均勻性對(duì)除水效率的影響為：等粒徑為10 μm的除水效率要小于平均粒徑為10 μm的除水效率。

就溫度而言，溫度在25℃以下時(shí)，溫度對(duì)除水效率的影響較大，大于25℃時(shí)，對(duì)除水效率的影響較小。

就進(jìn)口壓力而言，只有進(jìn)口壓力增加到0.6 MPa時(shí)，除水效率才會(huì)受到影響，小于0.6 MPa時(shí)，除水效率基本不會(huì)受到影響。

圖5（b）可得，流阻隨著溫度、進(jìn)口壓力、粒子直徑及進(jìn)口流量的增加而增加。從不同影響參數(shù)與流阻的關(guān)系曲線斜率來看，流阻對(duì)進(jìn)口壓力的改變敏感性最高，其次是進(jìn)口流量和溫度，而流阻對(duì)粒子直徑基本上不敏感，對(duì)流阻的影響基本可以忽略不計(jì)。

2.2.2 不同參數(shù)對(duì)軸向速度的影響

圖6為不同溫度、進(jìn)口壓力、粒子直徑及進(jìn)口流量下軸向速度分布曲線，由圖6可知，增加進(jìn)口溫度、進(jìn)口壓力、粒子直徑及進(jìn)口流量都會(huì)使得軸向速度增加，且影響程度不同。就同一點(diǎn)來說，溫度和進(jìn)口流量的增加，同一點(diǎn)的速度也隨之增加，且進(jìn)口同一點(diǎn)速度對(duì)流量的敏感性比溫度更大。溫度和進(jìn)口流量對(duì)同一點(diǎn)速度的影響具體為：在10℃增加到25℃時(shí)，同一點(diǎn)的速度變化相對(duì)較大，其他溫度變化相對(duì)較?。涣髁康脑黾訉?duì)葉輪段和出口段的影響更大。

圖6 徑向0.004m處軸向速度

粒子直徑的增加不會(huì)導(dǎo)致軸向速度變化，而等粒徑與平均粒徑的不同會(huì)影響軸向速度，但影響程度較小，即軸向速度對(duì)粒徑的敏感性不高。進(jìn)口壓力對(duì)軸向速度的影響與流量對(duì)其影響的規(guī)律相反，即進(jìn)口壓力的增加會(huì)使得同一點(diǎn)的速度降低，且速度對(duì)進(jìn)口壓力的敏感性高，且在進(jìn)口壓力由0.2 MPa增加到0.4 MPa時(shí)，相對(duì)0.4 MPa～0.8 MPa變化范圍內(nèi)，其敏感性最高。

3 結(jié)論

通過以上的仿真計(jì)算和分析，主要得出以下結(jié)論：

（1）在分離器前部設(shè)置進(jìn)口彎管，提高了除水效率、降低的流阻，進(jìn)口粒子直徑越小除水效率提高越大，且對(duì)分離器部件的流阻影響較小。存在一個(gè)最優(yōu)進(jìn)口彎度wandu4，使得分水效率最大，除水性能最好。

（2）分離器的流阻對(duì)進(jìn)口溫度、進(jìn)口壓力和進(jìn)口流量的敏感性大，分離器的流阻對(duì)進(jìn)口壓力的敏感度最大，其次是進(jìn)口流量，最后是進(jìn)口溫度；且流阻隨進(jìn)口溫度、進(jìn)口流量的增加而增加，隨進(jìn)口壓力的增加而減少，而對(duì)出水效率的影響小。

（3）除水效率對(duì)進(jìn)口粒子直徑的敏感性較大，而流阻對(duì)進(jìn)口粒子直徑的敏感性較小，進(jìn)口粒子直徑的增加會(huì)使除水效率增加。且對(duì)粒子直徑為等粒徑10 μm和平均50 μm的敏感度最高。

（4）進(jìn)口壓力大于0.6 MPa時(shí)，除水效率和流阻都突增。

（5）粒子直徑的均勻性對(duì)除水效率的影響為：等粒徑為10 μm的除水效率要小于平均粒徑為10 μm的除水效率。就溫度而言，溫度在25℃以下時(shí)，溫度對(duì)除水效率的影響較大，大于25℃時(shí)，對(duì)除水效率的影響較小。