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。     

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。     

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。     

波形板汽水分离器性能数值研究

采用涡量-流函数法对波形板内的流场进行了数值模拟。采用单颗粒动力学模型,即SPD模型,对波形板内水滴的运动轨迹进行了数值研究,并对波形板分离器的分离效率进行了计算,将计算结果与试验结果进行了比较,讨论了波形板汽水分离器的结构参数对工作性能的影响。研究结果表明,对波形板进行板型设计时,偏折角不宜大于45°;波形板分离器进口湿度较小时可以优先选用无疏水槽的波形板分离元件,如果湿度较大,则要优先选用有疏水槽的分离元件。     

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。      

竖直波形板折角处液膜破裂研究

通过对曲线坐标系下2维边界层的纳维-斯托克斯（N-S）方程与连续性方程的推导，并结合定义无量纲量的方法，建立了液膜破裂模型，得出了一种波形板折角处的液膜临界破膜速度的理论计算方法；开展了液膜破裂实验研究，利用平面激光诱导荧光技术与图像处理方法分析了临界破膜速度与液膜厚度的关系。实验与模型计算结果均表明:波形板折角处的临界破膜速度与液膜厚度呈负相关关系；当液膜厚度相同时，波形板临界破膜结构参数越大，其临界破膜速度亦越大，利于气水分离效率的提高。      

液滴模型在波形板汽水分离器中的应用

基于液滴运动的物理描述和机理研究,根据液滴在蒸汽流场中的受力及液滴的物性,对液滴的物理状态进行了描述,将单液滴的三维运动模型应用于波形板汽水分离器,对波形板内部蒸汽流场进行了数值模拟,结合单液滴模型程序计算了液滴在波形板内部蒸汽流场中的运动。探讨了液滴在波形板汽水分离器中的分离。     

入口参数对波形板干燥器性能影响的实验研究

采用实验测量与观察分析相结合的方法,对波形板干燥器进行可视化实验研究,研究了液滴粒径、入口湿度、入口速度对干燥器性能的影响。研究得出:分离效率随着入口粒径和入口湿度的增大而上升,随入口速度增大先增大后减小;发生二次携带的临界入口速度随着入口湿度增大而降低;干燥器压降与入口风速呈平方递增关系。     

三维空间液滴运动模型数值解法研究

提出了数值求解三维空间液滴运动模型的算子分裂算法（OS算法），并与常用的显式单步长Runge-Kutta（RK）算法进行了比较。简述了三维空间液滴运动模型的具体形式，提出了求解该模型的OS算法，以求解不同直径液滴在波形板汽水分离器内的运动轨迹作为算例，从OS算法的相容性、稳定性、计算精度和计算效率（CPU耗时）等方面，与4级4阶显式单步长RK算法进行了比较。结果表明，OS算法所构造的离散格式与液滴运动模型相容，采用此算法计算得到的液滴运动轨迹与RK算法得到的结果相似，而OS算法的稳定性和计算效率均优于RK算法。因此，OS算法的提出为数值计算波形板的分离效率提供了较为稳定、高效的算法。     

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。      

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。     

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。     

重力场液滴旋转问题探究

对重力分离空间蒸汽流场单液滴旋转运动问题进行探究。根据液滴重力分离机理,采用考虑转动的单液滴模型,求解及分析了液滴在蒸汽流中受力、力矩及运动问题。描述了蒸汽流场及液滴旋转、液滴直径和速度等参数对于液滴轨迹的影响,为单液滴模型建立奠定了基础。     

Numerical investigation on hydrodynamic performance of liquid lead lithium bubble column using population balance model

Using bubble column to extract tritium from lead lithium (Pb–17Li) eutectic is an effective way in the process of tritium extraction in liquid blanket system, where the hydrodynamic characteristics of the gas–liquid two-phase flow in the columns play a very important role. In order to understand the two-phase flow details and investigate the influence factors on the hydrodynamic performance, in this paper the flow behaviors in the cylindrical bubble columns with different heights and purge gas inlet velocities using computational fluid dynamics coupled with population balance model were simulated. Liquid flow field, bubble Sauter mean diameter, time-averaged gas holdup and two-phase interfacial area for the different cases were obtained and compared. The simulation results showed good agreement with previous studies, and which indicated that bubble size and gas holdup formation are mainly determined by vortical flow. In addition, interfacial area can be enhanced by increasing the purge gas inlet velocity and column height. However, the enhancement effect will trail away when the gas inlet velocity is too fast, and the contribution of column height is relatively small.     

Analysis of Direct Contact Condensation of Flowing Steam onto Injected Water with Multifluid Model of Two-Phase Flow

When subcooled water in accumulator tanks is injected during a loss-of-coolant accident of a pressurized water reactor, violent condensation takes place in cold legs because of direct contact of steam with water. A flow model based on the multifluid model of the two-phase flow has been developed to formulate the condensation and mixing processes in the injection region. The measured liquid film temperature and pressure profiles in the injection region have been explained quantitatively with the model which includes (a) drop generation arising from atomization of injected water, (b) condensation of steam on the drops, (c) flow contraction resulting from the formation of the dead water region, and (d) deposition of the drops. The calculated results show that the condensation rate depends mostly on the drop diameter generated near the water injection nozzle and the maximum drop mass fraction in the injection region. The present model can predict the effect of inlet thermal-hydraulic conditions on the condensation rate qualitatively, and then it has been confirmed that higher condensation rate with initial steam mass velocity is caused by the formation of finer drops and the higher drop mass fraction in the injection region.     

Development of Simplified Wave-type Vane in BWR Steam Dryer and Assessment of Vane Droplet Removal Characteristics

Air-water experiments were performed for the BWR steam dryer in order to elucidate droplet removal characteristics of the vane. Based on the results, a simplified vane was developed and its droplet removal characteristics were confirmed by air-water experiments using a whole dryer model.

Phase-Doppler anemometer was used to measure droplet diameter distributions. In the experiments of the current vane with four-wave stages and 120° bend angle, almost all of the droplets were found to be trapped in the first and second vane stages. For the air velocity of 3.1 m/s, 90% of the inlet droplets were trapped there and 4% were trapped in the third and fourth stages, resulting in 6% being carried over. Sauter mean diameters at the exit were 6 and 5μm while at the inlet they were 71 and 64μm for the respective air velocities of 1 and 3 m/s. Based on the Weber number evaluation, the possible mechanism for the fine droplet generation was considered to be the breakup of droplets due to impingement on the liquid film formed in the vane surface.

From the above results, the simplified vane with two-wave stages was developed. In order to remove fine droplets, the bend angle of the vane was reduced to 90°, in which a larger inertia force is exerted on finer droplets generated by breakup. Experiments for the whole dryer model showed that the developed vane could achieve the same droplet removal characteristics as the current vane without increasing the pressure drop of the dryer. A design having ten dryer bank rows and 1.2 m height, which is 0.8 m shorter than the current dryer, is possible for the dryer using the new simplified vane.     

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。     

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。