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。     

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。     

水滴粒径对旋叶式汽水分离器性能的影响

采用计算流体动力学技术计算分析了水滴粒径对旋叶式汽水分离器性能及其内部流动细节的影响。采用Euler双流体模型结合均值粒径方法计算了分离器内两相流动,粒径选取范围为0.1～150 μm;通过分析流场细节揭示了粒径与分离器性能的内在关系。结果表明：随粒径的增大,压损呈先升后降趋势,分离效率呈“S”型增大趋势;对分离效率产生影响的粒径范围为5～150 μm,而对压损产生影响的粒径范围为大于5 μm;与试验值相比,计算所得压损相对偏差均在4.8%以内,且选用合适的粒径能获得较为准确的分离效率和出口湿度,表明本文计算方案较为可靠;蒸汽流量分配比和水分返流比均随粒径的增大而减小,而返流水分占出水总量的比例较高,可达48%,因此计算中必须加以考虑,建议计算域中加入外围空间。     

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。     

AP1000旋叶式汽-水分离器分离效率与压降的数值模拟

建立基于拉格朗日-欧拉方法的气-液两相流动的数学模型,利用商用计算流体力学软件CFX对该模型求解,数值模拟几何缩比后AP1000旋叶式汽-水分离装置内部冷态工况下气-液两相流动特性。模型中空气为连续相,其内运动的液滴视作离散相,针对液滴在流场中的运动特点,考虑液滴受到曳力、虚拟质量力、浮力和重力,并以此建立空气和液滴动量双向耦合的动力学模型。针对9个不同工况,利用CFX软件对两相流模型进行求解,得到不同直径大小的液滴在流场内的运动轨迹,进而得到分离器的分离效率和进出口总压降。结果显示:分离效率的计算值与冷态实验数据非常吻合,且压降计算值与冷态实验值变化趋势基本一致,验证所建立模型的正确性。     

两级旋风式汽水分离器的分离性能研究

在研究国内外相关资料的基础上,设计了一种两级旋风分离器结构并针对该结构的分离性能进行了详细的数值模拟研究:依据两级旋风式汽水分离器的结构建立计算分析模型,采用数值模拟分析计算了汽水分离器的分离性能,研究不同入口速度、不同湿度对分离器分离特性的影响,搭建了气-水冷态试验回路对模型进行了验证。分析结果表明数值模拟计算结果与冷态试验结果趋势一致,分离效率计算结果偏差小;设计工况中,分离器总体分离效率优于99.5%;一级分离器适用于粗分离,其分离效率随入口湿度和速度的增大而减小;二级分离器适用于小液滴分离,其分离效率与入口速度呈正相关,与入口湿度呈非线性关系。     

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。     

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。     

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。     

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。      

基于液滴碰撞模型的AP1000波形板汽-水分离器性能及结构优化研究

基于已有的液滴碰撞模型,采用数值模拟方法研究了AP1000波形板汽-水分离器的分离性能,通过优化波形板内部结构得到了具有高效低阻特点的波形板。首先采用液滴碰撞模型对波形板内液滴行为进行数学描述,然后对模型进行了数值求解。随后通过模拟液滴在波形板内的运动和碰撞等行为,得到了波形板对含有不同直径液滴、不同入口液滴体积份额的湿饱和蒸汽来流的分离性能与其内部湿度分布。进而通过对波形板结构的改造设计,达到了提高分离效率、降低流动阻力的目的。本文所采用的数值模拟方法对AP1000波形板汽-水分离器的性能优化有着实际的指导意义。     

波形板汽水分离器内分离效率的影响因素分析

基于壁面液膜模型,进行无钩波形板汽水分离器内液膜生成情况的三维数值模拟,模拟中采用Realizable k-ε模型和壁面液膜模型对波形板内的气相和液相进行数值模拟计算,根据模拟结果分析波形板内的分离效率。研究结果表明：在不改变波形板的结构和不考虑二次携带的前提下,随进口速度或液滴直径的增加,壁面形成液膜面积和高度增加,分离效率也随之提高。当进口速度和液滴直径一定时,液膜高度和面积随蒸汽湿度的增加呈先增加后减小的趋势,当湿度达到10%时,液膜高度和面积达到最大,分离效率最佳。     

单钩波形板分离器内二次携带机理分析

通过理论分析与三维数值模拟研究了实际运行工况下单钩波形板分离器内二次携带机理。采用Realizable k-ε湍流模型对波形板内气相流场进行数值模拟,利用离散相模型结合涡交互模型对水滴运动进行计算,根据壁面水膜运动方程求解水膜的速度与厚度分布;依据理论分析,对可能形成二次水滴的4种方式进行判定。结果表明：波形板内发生气体动力造成的水滴破碎与水滴撞击水膜产生飞溅的可能性较低,但较冷态工况的可能性高;水膜主要集中在波形板的前两级,随入口蒸汽速度或湿度的增加,水膜增厚并向下游移动;将水膜剥落和水膜分离的判别式进行统一,并证实波形板二次携带主要由水膜的剥落和分离造成,且相较水膜剥落,钩峰处的水膜分离更易发生。     

重力分离空间均匀流中液滴行为问题研究

本文针对汽水分离器均匀流场中单个液滴的运动机理进行研究,分析了液滴在蒸汽流中所受的力;建立了单个液滴运动模型,并进行了数值求解;分析了其主要参数对液滴运动轨迹的影响,包括蒸汽流速、液滴直径和初速度等。定性描述了蒸汽流场中液滴重力分离之机理,为单液滴动力学模型定量分析奠定了基础。