旋叶分离器分区域疏水性能研究

旋叶分离器是蒸汽发生器中气水分离器组件的关键部件之一,保障蒸汽发生器为汽轮机提供高干度的蒸汽。气液混合物进入分离器后,液体逐渐分离,并通过入口回流、下降通道、切向口等区域疏水。为研究各区域疏水性能,建立了可视化旋叶分离器冷态试验回路,采用常温常压空气 水作为工质,针对直径140 mm、旋叶倾角30°的分离器开展分离性能试验。测试获得了空气表观速度在5~13 m/s区间内入口回流、下降通道、切向口对分离水比例变化的影响规律。研究发现,低气相表观速度时入口回流和下降通道承担主要的分离水比例,中等气相表观速度（7~9 m/s）时下降通道承担主要分离水比例,高气相表观速度时切向口起重要的分离水作用。     

疏水孔对旋叶分离器分离效率影响研究

为提高旋叶分离器中气-液混合物的分离效率，针对内筒具有正三角形排布疏水孔的旋叶分离器开展空气-水性能试验和计算流体动力学（CFD）数值模拟研究，分析每一排疏水孔分离水比例变化规律和疏水孔布置高度对分离性能的影响。研究结果表明，当空气表观速度较低（≤14.4 m/s）时，每一排疏水孔分离水比例随着内筒高度的升高呈先下降后增加的趋势；当空气表观速度较大（>14.4 m/s）时，每一排疏水孔分离水比例随内筒高度升高呈单调下降的趋势。研究对比了第1排疏水孔布置距离旋叶分别是0.8倍、1.0倍、1.2倍内筒直径3种位置时分离性能的变化, 结果表明当空气表观速度较低（< 12.9 m/s）时，疏水孔位于1.2倍内筒直径位置时旋叶分离效率最高；空气表观速度较高（≥12.9 m/s）时，疏水孔位于0.8倍内筒直径位置时旋叶分离效率最高。      

旋叶汽-水分离器空气-水冷态试验研究

采用可视化的实验方法研究旋叶汽-水分离器的空气-水分离过程和分离性能。试验表明:旋转通道上方形成均匀稳定且厚度适中的液膜有利于气-液两相的分离。水流量较小时,液滴形态的水比例较高,难以分离;而水流量较大时形成液膜较厚,中心空气流通截面变小导致空气夹带水加剧。分离效率的定量测量结果与可视化结果一致。分离效率主要受到水流量的影响,随着水流量的增大逐渐上升,当水流量增大到0.3m3/h后增加趋势逐渐减缓进而呈下降的趋势。     

球床通道内气液两相竖直向上流动流型实验研究

对球形颗粒填充通道内的空气-水竖直向上两相流动流型进行了可视化实验研究。实验段填充球直径分别为3、5和8mm,气相表观流速为0.005~1.172m/s;液相表观流速为0.004~0.093m/s。实验观察得到4种典型流型：泡状流、串状流、液柱脉冲流和乳沫脉冲流,并绘制出流型图,其中脉冲流占据较大区域。通过与常规通道流型图对比发现：由于填充颗粒的影响,球床通道泡状流区域较常规通道显著减小。对比3种球床通道流型图得到：随着颗粒直径的增加,串状流区域增大;在低液相流速下,对于8mm直径颗粒,串状流可直接过渡到乳沫脉冲流。     

双钩波形板汽水分离器疏水钩优化研究

为提高双钩波形板汽水分离器的分离性能，采用计算流体力学方法建立波形板内的两相流动模型，并对不同结构疏水钩的波形板汽水分离器进行研究。通过数值计算得到了波形板内的速度云图和液滴运动轨迹，并分析了不同进口速度下疏水钩结构对压降和分离效率的影响。结果表明：大部分液滴在前两级通道被分离，进口速度为0.922 m/s时其质量份额可超过50%；疏水钩通过影响流场的局部流速和湍流强度进而影响压降和分离效率，疏水钩对液滴的直接拦截作用有利于提高分离效率。综合考虑分离效率和压力损失获得了综合性能良好的双钩波形板汽水分离器结构型式。     

蒸汽流速对旋叶式汽水分离器分离性能影响的数值模拟

基于两流体模型和雷诺应力湍流模型,在不同的入口流速条件下,对旋叶式汽水分离器的分离过程进行了数值模拟,分析了蒸汽流速对不同直径液滴分离过程以及壁面附近液膜或高液滴浓度弥散层的影响规律。研究表明,蒸汽流速对分离性能的影响与液滴直径有关,当液滴直径处于某一区域时,蒸汽流速对分离性能的影响较明显,蒸汽流速越大,分离性能越好;当蒸汽流速较低时,在分离筒壁面出现液相流体累积。     

旋叶汽水分离器试验和数值模拟研究

针对旋叶汽水分离器的缩比模型展开空气-水冷态试验性能分析和数值模拟研究。试验表明：分离效率主要受水流量的影响,随水流量的增大呈逐渐上升的趋势,当水流量增大到0.3 m³/h后增加趋势逐渐减缓进而出现下降的趋势。压降对空气流量变化敏感,随空气流量的增大显著上升。进一步建立旋叶分离器CFD数值分析模型,采用欧拉两流体模型,气相为连续相,液相为离散相,并使用雷诺应力RSM方法求解湍流应力。计算分析了液滴粒径对分离特性的影响,结果表明,液滴粒径分布对分离效率有显著影响,微小粒径液滴的存在显著降低了气液分离效率。     

空气-水在垂直非圆截面通道内流型研究

采用可视化方法研究了水力直径分别为15mm和10mm的两种正方形截面、14.43mm的三角形截面以及14mm的圆形截面通道内空气-水垂直上升流动,表观气速0.04～80m/s,表观水速0.001～6m/s.观察到了泡状流、弹状流、块状流、环状流和弥散泡状流等常见流型.此外,在表观气速很大而表观水速很小时,在非圆截面通道内发现了爬动流,证实了非圆截面直通道内存在"二次流"现象,且对气-液两相流动的相分布有较大影响,证明截面形状对两相流流型及其转变具有重要影响.由实验得到了流型转变界限,并首次获得了包括爬动流的两相流流型图.比较本文的实验结果及与前人的研究结果对比发现,水力直径的大小对两相流流型的转变具有一定影响.     

旋叶式分离器叶片区液滴动力学行为研究

对旋叶式汽水分离器叶片区域液滴受力进行合理简化,得到旋叶式分离器叶片区域液滴动力学方程。利用数值模拟对比不同液滴直径、空气入口流速和叶片升角时,液滴通过叶片区、液滴撞击叶片和液滴撞击筒壁份额的变化。当液滴尺寸增大、空气入口流速增大或叶片升角减小时,液滴撞击叶片份额呈现增加的趋势,叶片升角对结果的影响不大。液滴曳力与惯性力的比值在时间上的积累越大,液滴越不容易撞击到叶片上。     

含内热源有序饱和多孔介质通道内蒸汽-水两相流型可视化实验研究

采用均一球体形成多孔介质通道，通过高速摄像系统获得了多孔介质通道内两相流动影像数据，识别出多孔介质通道内蒸汽-水两相流动流型存在形式，并研究了部分参数对流型转变的影响规律。结果表明，多孔介质通道内的汽-液两相流型有泡状流、泡状-弹状混合流、弹状流、弹状-环状混合流以及环状流5种；随着入口过冷度的增加，泡状流向过渡流转变以及过渡流向环状流转变时所对应的汽相表观速度呈现出逐渐增大的趋势；随着压力的升高，泡状流向过渡流转变以及过渡流向环状流转变时所对应的汽相表观速度呈现出逐渐减小的趋势。      

倾斜管内上升泡状流界面参数分布特性实验研究

采用双头光纤探针对倾斜圆管内空气-水两相泡状流界面参数分布特性进行了实验研究,包括局部空泡份额、气泡通过频率、界面面积浓度及气泡当量直径径向分布特性。实验段内径为50 mm,液相表观速度为0.144 m/s,气相表观速度为0~0.054 m/s。结果表明倾斜管内向上泡状流气泡明显向上壁面聚集。局部界面浓度、空泡份额及气泡通过频率径向分布相似。倾斜条件下局部界面参数分布下壁面附近峰值相对于竖直状态被削弱甚至消失,上壁面附近峰值被加强,中间区域从下壁面往上逐渐增大,且随倾斜角度的增加变化更加剧烈。气泡等价直径随径向位置、气相速度及倾斜角度的不同无明显变化,气泡聚合和破碎现象较少发生。通过气泡受力分析解释了倾斜对泡状流局部界面参数分布的影响机理。     

旋叶分离器中液滴运动相变特性分析

为研究AP1000核电站蒸汽发生器中初级旋叶分离器的液滴运动相变特性以及液滴相变对汽水分离性能的影响,通过建立液滴运动相变模型,基于AP1000旋叶分离器三维模型,采用欧拉-拉格朗日方法求解气液两相流动模型,计算得到了不同工况下旋叶分离器的汽水分离效率和压降的变化规律,并分析了液滴相变特性对分离效率的影响,获得了不同初始半径液滴的相变特性。计算结果表明:随着蒸汽流速的增加,分离效率和压降快速增加;压降相同时,半径较小的液滴在运动蒸发过程中半径变化百分比较大,相比半径较大的液滴其运动轨迹容易改变,更易逃逸出分离器,造成考虑相变时的分离效率降低;在正常运行工况下,液滴相变对分离效率的影响可忽略。计算结果可为进一步研究汽水分离装置中的汽水分离性能提供理论依据,并用于指导汽水分离装置的设计。     

竖直圆管内泡状流界面参数分布特性

采用双头光纤探针对内径为50 mm竖直圆管内空气-水两相泡状流界面参数径向分布特性进行了实验研究。气液两相表观速度变化范围分别为0.004～0.05 m/s和0.071～0.283 m/s。结果表明,竖直管内向上泡状流局部界面面积浓度（IAC）、空泡份额及气泡频率径向分布相类似,即气相流速较低时管道中间很大范围内以上3个局部界面参数几乎恒定,近壁区迅速下降到较低值;随气相流速的增加,局部界面参数在管道中心出现峰值。本实验中气泡聚合与破碎现象较少发生,索特平均直径沿径向近似均匀分布,且随气液两相流速变化很小。通过气泡横向受力解释了局部界面参数分布的影响机理。     

涡流式分离器气液两相分离数值模拟研究

对于气液两相分离,传统分离器或体积过大,或旋流强度低,因此考虑提出一种新式的涡流式分离器。利用涡流二极管逆向流动形成强度较高旋流的特点,在旋流腔上方加入一根支管,从切向入口进入的两相流由于密度差和旋流的作用,气相会聚集在中心由于浮力作用从上支管流出分离器,液相会分布在四周由于重力作用从下支管流出分离器,从而实现两相分离。采用数值模拟的方式分别对不同旋流腔尺寸以及出口形状的分离器进行计算,模拟结果表明,在进口流量为0.5 t/h、入口含气率1%~5%工况下,控制底流口压力和入口相同,溢流口与入口压差在80~90 kPa范围内,分离器对粒径在50~100 μm的气泡分离效率可以达到90%以上。      

基于漂移流模型的矩形通道内泡状流-弹状流转变准则

以空气和水为工质,对竖直向上矩形通道(40 mm×1.41 mm,40 mm×10 mm)两相流流型特性进行了可视化研究。气液相表观速度分别为0.01~0.59 m/s和0.02~3.72 m/s。基于3个经典的泡状流向弹状流转变准则,考虑矩形通道的尺寸效应,导出了泡状流向弹状流转变时的临界空泡份额为0.23。以窄边宽度2.5 mm为界,将矩形通道分为小通道和常规通道两类,对泡状流向弹状流转变准则进行修正,修正准则能很好地预测实验值。为进一步验证修正准则的准确性和适用性,将修正准则与Mishima、Wilmarth和Sadatomi等的实验数据进行了对比,结果显示修正准则同样具有较好的预测效果。     

周期性力场作用下窄通道内两相流压降特性

通过实验研究了摇摆造成的周期性附加惯性力作用下矩形窄通道内空气 水两相流压降特性。按分液相雷诺数将流动分为层流区（Re_f <800）、过渡区（800≤Re_f≤1 400）及湍流区（Re_f >1 400）3个区域,并对各区域内附加压降、重位压降和摩擦压降平均值及瞬态值进行了比较。结果表明,附加惯性力对窄通道内两相流整数倍周期内平均摩擦阻力无明显影响。周期性附加惯性力作用下(摇摆周期16 s,摇摆振幅30°),层流区及过渡区气相表观速度、液相表观速度、质量含气率及摩擦压降随时间周期性波动,波动周期等于摇摆运动周期;瞬时摩擦压降相对于其平均值的波动幅值随气液两相流速的增加而减小。湍流区两相流动参数周期性波动不明显。     

带定位格架棒束通道内两相流型研究

在空气-水两相流动工况下,将RBI光学探针测得的时序波形和目测相结合,对AFA-2G 33定位格架组成的棒束通道内存在的两相流型进行了识别。通道水力当量直径为8.98mm,元件的棒径为9.5mm,栅距为12.6mm,棒壁距为2.65mm。液相和气相表观速度范围分别为0.40-2.69m/s,0.02-2.99m/s。试验获得了流型图。结果表明,定位格架结构,特别是交混叶片对定位格架附近区域两相流型变化有重要影响,在棒束通道内的同一截面上存在不同种类流型。     

竖直窄矩形通道内空气-水两相流中气弹运动速度研究

以空气和水为工质,应用高速摄像仪,对竖直窄矩形通道(3.25 mm×40 mm)内气液两相弹状流进行了可视化实验研究。气、液相表观速度分别为0.1~2.51 m/s和0.16~2.62 m/s,工作压力为常压。实验中发现窄矩形通道内弹状流与圆管中存在较大差别,气弹多发生变形,高液相流速时变形更为严重。窄边液膜含气量较高,在高液相流速时窄边液膜不下落,宽边液膜中含有由气弹头部进入和气弹尾部进入的气泡。气弹速度受气弹头部形状和宽度影响较大,受气弹长度影响较小。气弹速度可由Ishii & Jones-Zuber模型计算,但在低液相折算速度时偏差较大,其主要原因为漂移速度计算值较实验值偏小。     

蒸汽发生器一级汽水分离器内流场数值模拟

以压水堆核电厂蒸汽发生器一级汽水分离器为研究对象，采用基于计算流体动力学（CFD）的计算软件ANSYS Fluent对湿蒸汽进入汽水分离器后的流场特性和汽水分离性能进行模拟，在模拟过程中采用了欧拉多相流模型和k-ε Realizable湍流模型相结合的计算模型。对工质流经汽水分离器的模拟结果表明，在汽相与液相经由汽水分离器流至各自出口时，出现明显的分层现象。对比不同切向出口和不同液滴粒径下的模拟结果表明，出口面积越大，汽水分离器对液滴的分离效果越好；在0.01~0.10 mm的粒径范围内，液滴粒径越大，分离效果越好。对不同负荷条件下汽水分离器分离效率的模拟结果表明，分离效率随机组负荷升高略有降低。      

竖直矩形窄缝通道内单个蒸汽泡和空气泡尾流特性的对比

采用粒子图像测速仪(PIV)对绝热条件下单个蒸汽泡在矩形窄缝通道内去离子水中上升的尾流特性进行研究,分析了入口平均流速和汽泡直径对蒸汽泡最终上升速度、尾流结构以及尾流速度场的影响,并与单个空气泡进行对比。实验结果表明,绝热条件下蒸汽泡的最终上升速度与汽泡直径的对应关系和空气泡存在差异,蒸汽泡尺寸和入口平均流速对蒸汽泡尾流的影响以及尾流中最大纵向速度发生的位置与空气泡相似,无显著差异。