多因素下汽-水分離器性能敏感性分析

李金瓊，肖笛，吳永兵，黃名越

（貴州永紅航空機械有限責任公司 設計研發中心，貴州 貴陽 550000）

0 引言

旋葉式分離器被廣泛應用于核電廠蒸汽發生器、航空環空系統、船用核動力裝置蒸發器等。其除水效率和壓降流阻是衡量分離器的關鍵性能指標，因此國內外學者就結構尺寸、進口粒子直徑大小、旋葉傾角等參數對除水效率和壓降流阻的影響展開了一系列的研究。

吳航宇等[1]模擬分析了不同液滴粒徑下效率對等比例旋葉分離器的旋葉傾角和上升通道高度結構的敏感程度。張墴等[2]人模擬分析了不同液滴大小和入口速度對除水效率和流阻的影響規律。楊雪龍等[3]通過研究水滴粒徑對旋葉式汽水分離器性能的影響，發現減少和避免小粒徑的產生能有效降低出口濕度和壓損。李亞洲等[4]研究發現液滴由中等粒徑和小粒徑組合的數值模擬結果與試驗結果一致性較好。李勇等[5]分析了蒸汽流速對旋葉式分離器的影響，發現當液滴粒徑處于某一區域時，蒸汽流速對分離器性能的影響較明顯。徐晗等[6]就有無疏水孔、疏水孔的高度以及疏水孔與空氣速度的相關性對分離器分水效率的影響進行較為全面的分析。

國內外學者主要就分離器的結構尺寸、進口流量、疏水孔等影響因素進行單個或兩個影響因素的研究分析，少有學者對進口壓力、進口溫度和進口流量及粒子直徑大小等進行多維度的影響因素敏感性及敏感程度分析，因此，針對不同進口壓力、進口流量、進口處有無彎道及進口溫度等參數對旋葉式分離器進行了多維度的性能敏感性及敏感程度研究，為將來設計和研究旋葉式分離器提供參考。

1 數值模擬

1.1 計算模型及網格劃分

計算模型主要由進口段、葉輪部件、汽水分離部分、集水口及出口段組成。如圖1所示。利用Ansys19.2 workbench mesh進行網格劃分，并對葉片及對結果影響較大的部分進行局部加密，以提高仿真的計算精度和準確度。得到了3套網格方案，方案1的網格數為1380224，方案2的網格數為163163、方案3的網格數為1817580。檢查網格質量，滿足仿真計算要求。進行網格無關性檢驗，最終取網格總數為1817580的網格方案3。

圖1 計算模型及網格劃分

1.2 假設和邊界條件設置

本模擬計算假設[7]為：（1）液滴通常被視作剛性圓球，并忽略液滴在運動行進中的旋轉，僅考慮單個液滴在蒸汽流場中受到的曳力和重力等；忽略液滴之間的碰撞、聚合等作用，以及液滴自身破碎、蒸發和冷凝等現象。（2）使用拉格朗日-歐拉方法。（3）指出液滴不僅有在流場中的平移運動，還有流場不均勻性帶來的轉動。（4）當液滴的體積份額ad＞10-3，就必須考慮液滴碰撞效應對該體系的影響。

采用流量進口和壓力出口邊界條件，由于RNGk-ε湍流模型可以較好模擬旋流強度大的流場，因此，基于拉格朗日法、利用RNGk-ε湍流模型和DPM兩模型對兩相流進行雙向耦合，對不同進口壓力、進口流量、進口處有無彎道及進口溫度等參數對旋葉式分離器進行了多維度的性能敏感性及敏感程度仿真分析。

2 結果分析

除水效率和流阻的計算式為：

流阻：

除水效率：

式中：Pinlet為分離器進口總壓，Pa；Pescape為分離器出口總壓，Pa；Nuinlet為進口液滴總數；Nuescape為出口液滴總數。

在進口段、葉輪段及出口段徑向、軸向設置了對個監測點，各個監測點的位置如圖2所示。

圖2 監測點設置位置

2.1 進口彎管對除水效率和流阻的影響

本計算模型之前與散熱器以一定長度的管路相連接，首先就管路的形式對分離器性能的影響進行分析，采用fluent軟件分別對不同液滴平均粒徑（rosinrammler分布方式）在進口壓力為0.8 MPa、進口溫度為10℃下進口有無彎管及wandu1、wandu2、wandu3、wandu4、wandu5不同進口彎度下進行性能分析，結果如圖3所示。

由圖3可知，進口處有無彎管對分離器的除水效率和流阻都存在著影響，當有進口彎管時，分水效率會提高，而流阻稍有減少，基本可認為彎管的存在對分離器的流阻沒有影響，而對除水效率的影響較大。進口彎管的存在，會使進葉輪的粒子預先受到來自彎管的離心力，進而使粒子更充分被分離開，進而使除水效率提高。所以為了減少網格數量和提高計算效率，后續分析均是在無進口彎管的條件下進行工作的展開的。

圖3 有無彎管下分離器的效率和流阻變化

進口彎管的存在對平均粒子直徑越小的除水效率影響更大，而對平均粒子直徑越大的除水效率影響越小，但彎管的存在都會提高除水效率；同時彎管會降低的分離器的流阻，降低程度與進口粒子平均直徑無關。

如圖4所示，進口彎管的彎度對分離器的流阻影響不大，而對分離器的除水效率影響呈拋物線曲線關系分布，存在一個最優進口彎度wandu4，使得分水效率最大，除水性能最好。

圖4 進口彎管下分離器的效率和流阻變化

2.2 不同參數對汽-水分離器性能敏感性影響

因篇幅限制，接下來僅分析在無進口彎管下，進口溫度、進口壓力、粒子直徑及進口流量對汽-水分離器的性能敏感性研究。

2.2.1 不同參數對除水效率和流阻的影響

圖5為不同進口溫度、進口壓力、粒子直徑及進口流量下的除水效率及流阻分布曲線。

由圖5（a）可知，進口溫度、進口壓力、粒子直徑及進口流量對除水效率各不相同：汽-水分離器的效率與流量呈波浪式曲線關系，進口溫度、進口壓力及粒子直徑的增加會使得汽-水分離器的效率增加。各參數對除水效率的敏感程度不同，溫度、壓力和流量對汽-水分離器的效率的敏感性比粒子直徑小，粒子直徑對汽-水分離器的效率的敏感性最高。

圖5 不同參數對分離器的性能影響

就粒子直徑而言，粒子直徑的均勻性對除水效率的影響為：等粒徑為10 μm的除水效率要小于平均粒徑為10 μm的除水效率。

就溫度而言，溫度在25℃以下時，溫度對除水效率的影響較大，大于25℃時，對除水效率的影響較小。

就進口壓力而言，只有進口壓力增加到0.6 MPa時，除水效率才會受到影響，小于0.6 MPa時，除水效率基本不會受到影響。

圖5（b）可得，流阻隨著溫度、進口壓力、粒子直徑及進口流量的增加而增加。從不同影響參數與流阻的關系曲線斜率來看，流阻對進口壓力的改變敏感性最高，其次是進口流量和溫度，而流阻對粒子直徑基本上不敏感，對流阻的影響基本可以忽略不計。

2.2.2 不同參數對軸向速度的影響

圖6為不同溫度、進口壓力、粒子直徑及進口流量下軸向速度分布曲線，由圖6可知，增加進口溫度、進口壓力、粒子直徑及進口流量都會使得軸向速度增加，且影響程度不同。就同一點來說，溫度和進口流量的增加，同一點的速度也隨之增加，且進口同一點速度對流量的敏感性比溫度更大。溫度和進口流量對同一點速度的影響具體為：在10℃增加到25℃時，同一點的速度變化相對較大，其他溫度變化相對較?。涣髁康脑黾訉θ~輪段和出口段的影響更大。

圖6 徑向0.004m處軸向速度

粒子直徑的增加不會導致軸向速度變化，而等粒徑與平均粒徑的不同會影響軸向速度，但影響程度較小，即軸向速度對粒徑的敏感性不高。進口壓力對軸向速度的影響與流量對其影響的規律相反，即進口壓力的增加會使得同一點的速度降低，且速度對進口壓力的敏感性高，且在進口壓力由0.2 MPa增加到0.4 MPa時，相對0.4 MPa～0.8 MPa變化范圍內，其敏感性最高。

3 結論

通過以上的仿真計算和分析，主要得出以下結論：

（1）在分離器前部設置進口彎管，提高了除水效率、降低的流阻，進口粒子直徑越小除水效率提高越大，且對分離器部件的流阻影響較小。存在一個最優進口彎度wandu4，使得分水效率最大，除水性能最好。

（2）分離器的流阻對進口溫度、進口壓力和進口流量的敏感性大，分離器的流阻對進口壓力的敏感度最大，其次是進口流量，最后是進口溫度；且流阻隨進口溫度、進口流量的增加而增加，隨進口壓力的增加而減少，而對出水效率的影響小。

（3）除水效率對進口粒子直徑的敏感性較大，而流阻對進口粒子直徑的敏感性較小，進口粒子直徑的增加會使除水效率增加。且對粒子直徑為等粒徑10 μm和平均50 μm的敏感度最高。

（4）進口壓力大于0.6 MPa時，除水效率和流阻都突增。

（5）粒子直徑的均勻性對除水效率的影響為：等粒徑為10 μm的除水效率要小于平均粒徑為10 μm的除水效率。就溫度而言，溫度在25℃以下時，溫度對除水效率的影響較大，大于25℃時，對除水效率的影響較小。