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。     

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。     

蒸汽发生器的旋叶分离器性能研究

通过对旋叶式汽水分离器（简称旋叶分离器）内部的汽水分离过程进行分析，建立了旋叶分离器的分离性能模型，为今后旋叶分离器在不同工况下的分离性能进行预估计算提供计算方法，同时根据旋叶分离器冷态模拟实验结果分析，找出了影响旋叶分离器性能的主要原因，并整理出阻力计算的经验关系式。     

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。     

新型旋叶分离器分离特性与机理研究

为定量地获得熔盐反应堆旋叶分离器中气泡的分离行为,采用计算流体力学（CFD）方法获得了分离器液相流场分布,基于涡旋模型耦合相间作用力的气泡分离模型开发了气泡运动的数值计算程序,快速预测了分离器内熔盐介质中气泡的临界分离直径。通过对气泡受力的量化,阐述了气泡的分离机理。分析表明,气泡受到的相间作用力的大小与其运动到分离器内不同半径位置密切相关;气泡在轴向上受到的附加质量力分力和曳力分力决定着气泡分离长度;气泡在径向上受到的压力梯度力、升力与曳力、附加质量力相平衡时,其不能再向心运动进入气芯被捕获分离。      

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。     

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。     

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。     

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.     

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。      

池式夹带高速区试验研究

发生失水事故后的压水堆内会产生池式夹带现象,这一现象将造成反应堆进一步失水,进而发生堆芯裸露或堆芯熔化等严重事故。Kataoka和Ishii于1983年开发的池式夹带模型在反应堆安全分析中被广泛使用,但十分保守。其中一个重要原因是模型中高速夹带区的试验数据极为有限且不确定性较大,导致该区的模型并不完善。本文介绍空气-水的池式夹带高速区试验,试验本体参考AP1000原型参数,本体内径为380 mm,高为2.2 m,由透明材料制作,供气流速为0.98~5.41 m/s。试验过程中的两相混合液位和夹带液体质量的测量分别使用导波雷达液位计和称重模块。本试验为夹带模型的高速区补充了数据,发展了现有的池式夹带高速区模型,并发现了在夹带高速区出现的夹带饱和现象。     

Onset of water accumulation in the upper plenum with a perforated plate

This paper describes an experimental study on the onset of water accumulation above a perforated plate in a vertical air-water countercurrent flow. We experimentally investigate the effects of holes with the relatively large diameter (5 cm), the number of holes (4 holes and 12 holes), the thickness of plate (1 cm and 4 cm), asymmetric water injection, and the location of the air vent line on the onset of water accumulation. The present results indicate that the onset of water accumulation is promoted by a smaller diameter of hole, a smaller number of holes, and symmetric water injection whereas it has negligible dependence on the location of air vent line in the upper plenum. It turns out that the nondimensional superficial velocity, , fits the data better than either the Kutateladze number, K_k, or the interpolation parameter, . We develop a Wallis-type correlation for the onset of water accumulation when the diameter of the holes ranges between 0.7 and 5 cm, and the number of holes is greater than six.     

Benchmark database on the evolution of two-phase flows in a vertical pipe

Based on many years of experience, a new extensive and high-quality database was obtained for steady-state upward air-water flows in a vertical pipe with an inner diameter of 195.3 mm using the wire-mesh sensor technology. During the experiments, the sensor was always mounted on the top of the test section while the distance between gas injection and measuring plane was varied up to 18 different L/D by using gas injection chambers at different vertical positions. The gas was injected via holes in the pipe wall. In this new test series the pressure was kept at 0.25 MPa (absolute) at the location of the active gas injection while the temperature was constant at 30 °C ± 1 K. The experiments were done for 48 combinations of air and water superficial velocities varying from 0.04 m/s to 1.6 m/s for water and 0.0025 m/s to 3.2 m/s for air. From the raw data time-averaged data as: radial gas volume fraction profiles, bubble size distributions, radial volume fraction profiles decomposed according to the bubble size and the radial profiles of the gas velocity were calculated. The consistency of this data was thoroughly checked. They are characterized by a high resolution in space, which makes them suitable for the development and validation of CFD-grade closure models, e.g. for bubble forces and coalescence and break-up. It is also an ideal base to validate CFD approaches for poly-dispersed flow. For this reason it is proposed to use the database as a benchmark for modelling poly-dispersed flows.     

Droplet de-entrainment by inertial impaction on vertical rods in an air-droplet mixture flow

We experimentally investigate the de-entrainment of droplets by inertial impaction on an array of vertical rods in an air-droplet mixture flow. The de-entrainment efficiencies are measured for a single rod, for a single row of rods, and for a multi-row of rods. We investigate the effects of the droplet mass flux (0.5–5.4 kg/m² s), the droplet Weber number (3000–8000), the air velocity (0–6 m/s), the rod geometry, and the surface roughness on the de-entrainment, and the rod diameter-to-pitch ratio effect on the de-entrainment. The results for a single rod show that the de-entrainment efficiency decreases slightly as the droplet mass flux increases; however, in our experimental ranges, there is negligible dependence on the droplet Weber number, the air velocity, and the surface roughness. The rod geometry affects the de-entrainment efficiency. The results for a single row of rods show that the existence of neighboring rods promotes de-entrainment due to droplet splashing, and we develop a correlation to show the effect of diameter-to-pitch ratio on the de-entrainment. Using information on the de-entrainment efficiencies of a single rod and those of a single row of rods, we propose a correlation that predicts the de-entrainment efficiency for a multi-row of rods with a staggered array. The RMS errors of the correlation from the de-entrainment efficiencies experimentally obtained are within 13.5%.     

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50～100μm的气泡分离效率可以达到90%以上。