蒸汽发生器一级汽水分离器两相流动数值模拟_黄伟

核 动 力 工 程

Nuclear Power Engineering

第27卷 第1 期 2 0 0 6 年2月

V ol. 27. No.1 Feb. 2 0 0 6

文章编号：0258-0926(2006)01-0076-04

蒸汽发生器一级汽水分离器两相流动数值模拟

黄 伟，陈五星，张文其，王海松，何劲松

（中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术国家级重点实验室，成都，610041）

摘要：采用计算流体力学方法并采用非结构化网格和多块网格技术对流动区域进行了网格划分，用两相流模型对蒸汽发生器一级汽水分离器两相流动进行模拟，得到了汽-液两相流动细节，将出口蒸汽干度与蒸汽发生器热工水力专用计算程序计算结果进行比较，吻合良好。

关键词：蒸汽发生器；汽水分离器；两相流；计算流体力学(CFD)； 中图分类号：TL353+ . 13 文献标识码：A

1 引 言

蒸汽发生器一级汽水分离器的汽水分离效果

的好坏直接影响到蒸汽发生器的性能。在以往的设计中，为了确定一级汽水分离器的最终性能，不得不进行大量的试验。随着计算机科学技术的发展，数值计算方法越来越引起工程界的重视，计算流体力学(CFD)方法脱颖而出。CFD 方法可以给出流体流动的细节，如全流场速度、压力分布、蒸汽湿度等，不仅可以预测流体设备的整体性能，而且很容易从流场分析中发现设计中存在的问题；据此提出的改进方案，只需重新计算一次就可以评估设计改进是否有效。目前，国内外有关蒸汽发生器一级汽水分离器数值计算分析未见公开报道。

本文采用计算流体力学(CFD)方法对蒸汽发生器一级汽水分离器两相流动进行了数值模拟，将其结果与蒸汽发生器热工水力专用计算程序计算结果进行了比较，吻合良好。该项研究为一级汽水分离器的设计提供了一种方法，为以后其它型式一级汽水分离器的方案设计、产品定型提供了可靠的依据。

2 计算模型及控制方程

2.1 计算模型

汽水混合物在一级汽水分离器中的流动为典型的汽、液两相流动，汽相的(体积)份额远大

于液相，故为连续相。液相的(体积)份额较小，液相为扩散相，取一级汽水分离器流动区域为计算区域，计算模型的流体区域见图1，忽略流动过程中的传热。两相流模型采用应力输运模型。 2.2 控制方程

(1)动量方程

[][{]}

a

Ma a a a a a a a a a a a a a )( )()(M S U U r p r U U r U r t

++∇+∇⋅∇+∇−=⋅∇+∂∂

T μρρ (1) 式中，r 为(体积)份额；U 为流速，m/s ；ρ为密度，kg/m 3；p 为压力，Pa ；S Ma 为体积力，Pa/m ；M a 为相间力，Pa/m ；下标：a 为指a 相。上标：T 为U a 的逆矩阵。

图 1 一级汽水分离器计算模型

Fig. 1 Computation Model of Moisture Separator

收稿日期：2004-07-05；修回日期：2005-05-11

黄 伟等：蒸汽发生器一级汽水分离器两相流动数值模拟 77

(2)连续性方程

MSa a a a a a )()(S U r r t

=⋅∇+∂∂

ρρ (2) 式中，S MSa 为质量源项，kg/m 3・s 。

3 边界条件及物性参数

根据大亚湾核电站蒸汽发生器一级汽水分离器在热工设计流量、额定负荷下的有关参数 (表1)，确定了如下边界条件。

(1)入口边界条件：给定入口汽水混合物流量及(体积)份额。

(2)出口边界条件：给定出口相对压力。 (3)壁面边界条件：流速为0。 汽水混合物物性参数见表2。

表 1 汽水混合物流量及(体积)份额 Table 1 Mass Flow Rate and V oid Fraction for

Moisture Mixture

功率 百分 数/％

管束顶部蒸汽干度

液相 (体积) 份额

汽相 (体积) 份额

蒸汽流量 /kg ・s -1

水流量/kg ・s -1

100 0.3223 0.148 0.852 33.6040 70.6593

表 2 汽水混合物的物性参数

Table 2 Physical Properties for Moisture Mixture

功率百 分数/％

液相密度 /kg ・m -3

液相粘度 /Pa .s

汽相密度 /kg ・m -3 汽相粘度 /Pa ・s 100 741.45

9.156×10-5 36.080

1.899×10

-5

4 节点、单元划分

网格划分采用非结构化网格和分块网格技术，部分区域采用了网格局部加密。将整个计算区域分为3块，分别为上升通道、下降通道、顶部。分别进行网格划分，最后采用网格粘接技术将分块网格组合起来形成计算区域。整个计算区域节点约为572277个，单元约为3097391个。

5 分析与比较

5.1 流动阻力

计算结果表明，进、出口压差为12452Pa ，一级汽水分离器的压降集中在叶片处，为8890Pa ，占进、出口压降的71％。这是由于在叶片处流通面积较小，在此形成较大的局部阻力。同时整个流动通道的摩擦阻力和加速压降所占份额较小。

5.2 速度分布

汽相速度分布如图2所示。

图2 汽相速度分布

Fig. 2 Velocity Distribution for Water Phase

5.2.1 周向速度 汽相流体流经叶片时，汽相流

体有强烈的旋转，并持续至整个下游通道。局部区域的最大流速高于20m/s 。对液相流体，速度分布与汽相速度分布类似，但局部区域的最大流 速高于10m/s 。这是由于汽相和液相不同的密度 形成的。对汽相和液相流体而言，通道周边的流速高于通道中心的流速(图2a)。

5.2.2 轴向速度 汽相流体流经叶片前，通道周边速度和通道中心流速相当。当汽相流体流经叶片后，通道中心流速远低于通道周边的速度。这反映了叶片对流动的阻力作用。对液相流体，轴向速度分布与汽相速度分布类似(图2 b)。 5.3 汽相、液相(体积)份额分布

汽相(体积)份额等势图如图3a 所示。沿整个上升通道，在通道中间，汽相(体积)份额大，沿壁面汽相(体积)份额小，即蒸汽集中在通道的中央位置，形成蒸汽柱。

从液相(体积)份额等势图(图3b)看出，在通道中间，液相(体积)份额小，沿壁面液相(体积)份额大，即液相水集中在通道的四周位置。

在一级汽水分离器顶部出口处蒸汽流量为21.816kg/s ，液相水流量为9.114kg/s ；蒸汽干度为0.705。采用蒸汽发生器热工水力专用计算程序计算，一级汽水分离器顶部出口蒸汽干度为0.704。计算偏差仅为＋0.14％。

5.4 汽液分层现象

为了说明汽液分层现象，沿高度方向上给出了叶片出口下游3个截面位置的汽相、液相(体积)份额分布(图4)。左列为汽相(体积)份额等势图。右列为液相(体积)份额等势图。