船用蒸汽蓄熱器放汽過程動態(tài)特性數(shù)值模擬

郝金玉，張曉濱，楊元龍

1 海軍裝備部駐沈陽地區(qū)軍事代表局，遼寧沈陽110031

2 中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢，430064

0 引 言

船用蒸汽蓄熱器是在極短時(shí)間內(nèi)為瞬時(shí)耗氣量極大的蒸汽用戶提供規(guī)定壓力和溫度蒸汽的儲能設(shè)備，具有放汽時(shí)間短、瞬時(shí)放汽量高、非平衡動態(tài)變化的特點(diǎn)［1］。其放汽過程是極為復(fù)雜的閃蒸過程，常伴有汽水兩相的熱質(zhì)傳遞和流動結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換，會對蒸汽蓄熱器動態(tài)工作特性造成很大影響。因此，準(zhǔn)確揭示放汽過程中船用蒸汽蓄熱器內(nèi)部參數(shù)的動態(tài)變化規(guī)律，對船舶蒸汽動力系統(tǒng)安全穩(wěn)定地運(yùn)行極其重要。

目前，國內(nèi)外學(xué)者針對蒸汽蓄熱器放汽過程及其閃蒸特性做了大量研究［2-5］。Steinmann 等［5］建立蒸汽蓄熱器熱平衡模型，基于數(shù)值分析手段研究了蒸汽蓄熱器動態(tài)放汽過程；孫寶芝等［6］針對船用蒸汽蓄熱器不同的運(yùn)行工況，進(jìn)行了蒸汽蓄熱器放汽試驗(yàn)研究。Sun 等［7］采用兩流體模型分析了蒸汽發(fā)生器閃蒸及汽液兩相流動規(guī)律；Stevanovic 等［8］基于熱力學(xué)相變模型，仿真研究了蒸汽蓄熱器充、放汽過程的閃蒸規(guī)律。由于艦船蒸汽蓄熱器的設(shè)計(jì)技術(shù)封鎖，鮮有關(guān)于船用蒸汽蓄熱器放汽過程動態(tài)特性數(shù)值計(jì)算方面的文獻(xiàn)。鑒于此，本文將以船用蒸汽蓄熱器為研究對象，采用兩流體模型和熱相變模型，通過數(shù)值仿真，研究船用蒸汽蓄熱器放汽過程的動態(tài)性能，探索壓力、溫度、水位等重要熱工水力參數(shù)的變化規(guī)律，以期明晰船用蒸汽蓄熱器的動態(tài)運(yùn)行特性。

1 幾何模型及網(wǎng)格劃分

圖1 為蒸汽蓄熱器結(jié)構(gòu)模型。蒸汽蓄熱器兩端采用半球形封頭，直徑0.8 m，筒身長2 m；過熱蒸汽由分配集管供入，出口位于上筒體中點(diǎn)處，出口直徑0.08 m，高度0.25 m。

圖1 蒸汽蓄熱器物理模型Fig.1 Physical model of steam accumulator

蒸汽蓄熱器采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分（圖2），放汽口、筒壁處網(wǎng)格進(jìn)行局部加密處理。基于網(wǎng)格敏感性分析，確認(rèn)計(jì)算域共計(jì)350 000個(gè)單元，擴(kuò)展率、傾斜度及扭曲度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 網(wǎng)格模型Fig.2 Grid model

2 數(shù)學(xué)控制方程

利用兩流體模型描述蒸汽蓄熱器放汽過程中的閃蒸規(guī)律，分別包括汽水兩相流的質(zhì)量、動量和能量方程，通過控制方程耦合計(jì)算，捕捉蓄熱器放汽過程中汽水兩相流動結(jié)構(gòu)與沸騰傳熱結(jié)構(gòu)。兩流體模型控制方程的具體形式詳見文獻(xiàn)［9］。

熱相變模型假設(shè)汽水兩相通過相界面完成質(zhì)量、動量和能量的傳遞過程［9］。采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε 湍流方程計(jì)算蓄熱器的湍流流動形式。

3 邊界條件

為計(jì)算船用蒸汽蓄熱器的放汽過程，根據(jù)船用蒸汽蓄熱器放汽特性參數(shù)，設(shè)置數(shù)值計(jì)算的邊界條件：初始壓力0.8 MPa，初始水位400 mm；出口放汽為指數(shù)壓降方式：0 ≤t ≤1，放汽時(shí)間1 s，放汽過程中，進(jìn)汽集管處于關(guān)閉狀態(tài)。筒壁為絕熱條件，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)計(jì)算近壁區(qū)域流動結(jié)構(gòu)。

4 蓄熱器放汽過程動態(tài)特性分析

4.1 水力動態(tài)特性分析

圖3 蒸汽蓄熱器壓力隨時(shí)間變化曲線Fig.3 Pressure curves of steam accumulator

圖4 t=0.5 s 時(shí)壓力分布規(guī)律Fig.4 Pressure distributions at 0.5 s

圖3 和圖4 分別為蒸汽蓄熱器放汽壓力的變化曲線與分布云圖。從圖3 可以看出，由于蒸汽蓄熱器出口壓力以指數(shù)方式下降，促使蒸汽蓄熱器液相溫度高于該壓力狀態(tài)下對應(yīng)的飽和溫度，水處于過熱狀態(tài)，進(jìn)而發(fā)生閃蒸現(xiàn)象，最終導(dǎo)致蓄熱器壓力隨著放汽時(shí)間的推移不斷降低。數(shù)值計(jì)算的壓力變化規(guī)律與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

圖5 和圖6 分別為t=0.5 s 時(shí)蒸汽蓄熱器內(nèi)水、汽速度分布矢量圖。由圖5 可知，出口壓力呈指數(shù)形式快速下降，閃蒸過程產(chǎn)生了劇烈的沸騰蒸發(fā)現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致閃蒸出的蒸汽從蓄熱器出口快速流出，在汽水兩相浮力和拖曳力的作用下，少部分水以較低的流速從出口流出。

圖5 t=0.5 s時(shí)汽相速度分布矢量圖Fig.5 Vapor phase velocity vector at 0.5 s

從圖6 中可以看出，蒸汽蓄熱器水空間形成了2 個(gè)對稱的漩渦，其會誘發(fā)水空間產(chǎn)生渦流效應(yīng)，進(jìn)而產(chǎn)生強(qiáng)烈的自然對流循環(huán)現(xiàn)象。究其原因，主要是隨著蒸汽蓄熱器出口壓力的快速降低，汽水交界面最先處于過熱狀態(tài)，誘發(fā)液面處的水發(fā)生劇烈的沸騰現(xiàn)象，導(dǎo)致液面處水的溫度降低，密度增大，進(jìn)而與水空間底部高溫水形成密度差，在蓄熱器水空間形成自然對流循環(huán)現(xiàn)象。自然對流循環(huán)過程不但強(qiáng)化汽水兩相間的流動與傳熱，更不斷補(bǔ)充液面處水的熱量，促進(jìn)閃蒸現(xiàn)象發(fā)生。

圖6 t=0.5 s時(shí)水相速度分布矢量圖Fig.6 Water phase velocity vector at 0.5 s

蒸汽蓄熱器水位變化規(guī)律如圖7～圖10 所示。從圖8 中可以發(fā)現(xiàn)，在閃蒸發(fā)生初期（t=0.4 s時(shí)），蓄熱器水位產(chǎn)生了“虛假水位”。這主要是由于蓄熱器出口壓力快速下降，促使蓄熱器內(nèi)壓力不斷下降，液面處水最先過熱沸騰而發(fā)生閃蒸現(xiàn)象，瞬時(shí)產(chǎn)生大量蒸汽，導(dǎo)致汽水混合物體積膨脹，促使水位很快上升，從而蓄熱器水位形成“虛假水位”現(xiàn)象。

圖7 t=0.2 s時(shí)水位分布規(guī)律Fig.7 Water level distribution at 0.2 s

圖8 t=0.4 s時(shí)水位分布規(guī)律Fig.8 Water level distribution at 0.4 s

圖9 t=0.6 s時(shí)水位分布規(guī)律Fig.9 Water level distribution at 0.6s

圖10 t=1 s時(shí)水位分布規(guī)律Fig.10 Water level distribution at 1 s

4.2 熱工動態(tài)特性

圖11 為蒸汽蓄熱器出口蒸汽溫度隨時(shí)間的變化曲線。從圖中可以看出，蓄熱器出口蒸汽溫度隨閃蒸時(shí)間快速降低。這主要是由于蓄熱器出口壓力呈指數(shù)形式急劇下降，致使閃蒸過程產(chǎn)生劇烈的沸騰蒸發(fā)現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致蓄熱器蒸汽溫度不斷降低。從圖12～圖14 中可以看出，隨著蒸汽蓄熱器放汽過程的進(jìn)行，劇烈的閃蒸過程主要發(fā)生在汽水交界面，促使該區(qū)域溫度降低，但主體介質(zhì)溫度變化較小，同時(shí)，由于蒸汽瞬時(shí)放出，在汽水之間拖曳力和浮力的作用下，蓄熱器水位不斷升高，170 ℃水的面積比例也逐漸增加。

圖11 蒸汽溫度隨時(shí)間變化規(guī)律Fig.11 Steam temperature distributions

圖12 t=0.5 s 時(shí)水溫度分布云圖Fig.12 Water temperature contours at 0.5 s

圖13 t=0.7 s 時(shí)水溫度分布云圖Fig.13 Water temperature contours at 0.7 s

圖14 t=1 s時(shí)水溫度分布云圖Fig.14 Water temperature contours at 1 s

5 結(jié) 論

在指數(shù)壓降放汽模式下，利用流體計(jì)算軟件，進(jìn)行了船用蒸汽蓄熱器放汽過程數(shù)值模擬，得到了蓄熱器放汽過程壓力和溫度動態(tài)變化規(guī)律。所得主要結(jié)論如下：

1）在指數(shù)壓降放汽方式下，蓄熱器蒸汽壓力和溫度近似呈指數(shù)形式快速下降，與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好；

2）在放汽起始階段，由于閃蒸的作用，蒸汽蓄熱器內(nèi)部水位形成“虛假水位”；

3）放汽過程后期，蒸汽蓄熱器水空間誘發(fā)渦流效應(yīng)，進(jìn)而產(chǎn)生自然對流循環(huán)，強(qiáng)化汽水兩相的流動與沸騰傳熱，促進(jìn)閃蒸放汽過程進(jìn)行。

［1］胡繼敏，金家善，嚴(yán)志騰.船用蒸汽蓄熱器快速充汽過程吸熱特性的測量方法研究［J］.船舶工程，2012，34（增刊2）：55-59.HU Jimin，JIN Jiashan，YAN Zhiteng. Measuring method for thermodynamic performance of marine steam accumulator during quick charge process［J］.Ship Engineering，2012，34（Supp 2）：55-59.

［2］郭家敏，孫寶芝，雷雨，等.船用蒸汽蓄熱器連續(xù)工作過程數(shù)學(xué)模型及其性能仿真［J］. 化工學(xué)報(bào)，2014，65（增刊1）：346-352.GUO Jiamin，SUN Baozhi，LEI Yu，et al. Mathemati?cal model of continuous working process of marine steam accumulator and its performances simulation［J］.Journal of the Chemical Industry and Engineering Soci?ety of China，2014，65（Supp1）：346-352.

［3］劉曉慧，龔崇齡，劉淑筠.蒸汽蓄熱器筒體瞬態(tài)溫度的實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬［J］. 武漢汽車工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1996，18（4）：79-83.LIU Xiaohui，GONG Chongling，LIU Shujun. Experi?mental study and numerical simulation of unsteady tem?perature field in the heat accumulator cylinder［J］.Journal of Wuhan Automotive Polytechnic University，1996，18（4）：79-83.

［4］龔崇齡，劉曉慧，劉淑筠.蒸汽蓄熱器工作過程的熱水力特性分析［J］.武漢汽車工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1996，18（3）：73-77.GONG Chongling，LIU Xiaohui，LIU Shujun. Ther?mo-hydraulic feature analysis of steam accumulator op?eration［J］. Journal of Wuhan Autotive Polytechnic University，1996，18（3）：73-77.

［5］STEINMANN W D，ECK M. Buffer storage for direct steam generation ［J］. Solar Energy， 2006， 80：1277-1282.

［6］孫寶芝，郭家敏，雷雨，等.船用蒸汽蓄熱器非平衡熱力過程［J］.化工學(xué)報(bào)，2013，64（增刊1）：59-65.SUN Baozhi，GUO Jiamin，LEI Yu，et al. Non-equi?librium thermodynamics process of marine steam accu?mulator［J］. Journal of the Chemical Industry and Engi?neering Society of China，2013，64（Supp1）：59-65.

［7］SUN B Z，YANG Y L.Numerically investigating the in?fluence of tube support plates on thermal-hydraulic characteristics in a steam generator［J］. Applied Ther?mal Engineering，2013，51（Supp 1/2）：611-622.

［8］STEVANOVIC V D，MASLOVARIC B，PRICA S. Dy?namics of steam accumulation［J］. Applied Thermal Engineering，2012，37：73-79.

［9］孫長江，楊元龍，王興剛，等.不同運(yùn)行條件下船用蒸汽蓄熱器充汽過程動態(tài)特性數(shù)值模擬［J］.中國艦船研究，2014，9（5）：105-109.SUN Changjiang，YANG Yuanlong，WANG Xinggang，et al. Numerical simulation on the dynamic characteris?tics of narine steam accumulators under different oper?ating conditions［J］. Chinese Journal of Ship Re?search，2014，9（5）：105-109.