CN109711105B - 计算汽水分离干燥器蒸汽湿度负荷分布不均匀系数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种计算汽水分离干燥器蒸汽湿度负荷分布不均匀系数的方法，包括以下步骤：使用计算流体力学软件导入汽水分离干燥器系统的网格模型作为计算域；确定连续相蒸汽的物理性质及边界条件并应用雷诺时均方法计算连续相蒸汽的湍流流动；在计算域的每个网格单元内迭代求解质量守恒方程和动量守恒方程得到连续相蒸汽的稳态流场；确定离散相液滴的物理性质、边界条件及受力模型；在连续相蒸汽的稳态流场上进行离散相液滴与连续相蒸汽的单相耦合计算并求解离散相液滴的位置方程和动量守恒方程；计算连续相蒸汽在汽水分离干燥器系统的干燥器组件中各波形板干燥器单元入口的湿度负荷不均匀系数。

Description

计算汽水分离干燥器蒸汽湿度负荷分布不均匀系数的方法

技术领域

本发明属于蒸汽发生器汽水分离器技术领域，具体涉及到一种计算汽水分离干燥器蒸汽湿度负荷分布不均匀系数的方法。

背景技术

作为核电站一、二回路的枢纽，蒸汽发生器所提供的蒸汽品质直接关系到核电站二回路的安全运行。所以，汽水分离干燥器系统是自然循环式蒸汽发生器中必不可少的组件。在自然循环式蒸汽发生器中通常具有两级汽水分离干燥装置。其中第一级通常为旋叶式分离器组件，单个旋叶式分离器包括四个旋叶片从而使液滴和蒸汽产生旋转流动，分离机制为利用液滴的离心效应的惯性分离机制。第二级通常为波形板干燥器组件，该种干燥器内部装载曲折的流道，蒸汽中夹带的液滴由于惯性会撞击在波形板的曲折流道上，从而完成汽水分离的过程。汽水分离干燥器系统中通常包含分离器组件和干燥器组件，同时，分离器组件中包含多个旋叶式分离器而干燥器组件中包含多个波形板干燥器单元，例如AP1000的汽水分离干燥器系统中包含33个旋叶式分离器和7个波形板干燥器单元。

典型的自然循环式蒸汽发生器在工作过程中，一次侧流体在U形管内流动并将热量传递给二次侧的流体。由于一次侧流体在热腿侧和冷腿侧的温度的差别，二次侧给水吸收热量蒸发产生的蒸汽也并不是均匀分布的，导致进入各个旋叶式分离器的蒸汽的流量和湿度产生差异，这种现象也导致进入各个波形板干燥器单元的蒸汽的湿度产生不均匀现象。由于不均匀性，某些波形板干燥器单元将从承受较高的蒸汽质量流量和湿度负荷。若该波形板干燥器单元入口处的蒸汽的湿度超过设计阈值将使波形板干燥器的干燥性能大幅下降。所以汽水分离干燥器系统内的干燥器组件的波形板干燥器单元入口处的蒸汽湿度的负荷不均匀性是反应其分离性能的重要指标。

蒸汽发生器内是高温高压环境，在针对汽水分离干燥器系统进行高温高压下精细化的实验研究比较困难的情况下，利用计算流体力学方法可以得到汽水分离干燥器内的精细流场，为负荷不均匀性和分离性能分析提供重要依据。

发明内容

本发明的目的在于提供一种计算汽水分离干燥器蒸汽湿度负荷分布不均匀系数的方法，该方法能够运用计算流体力学手段对汽水分离干燥器系统内部的流场和波形板干燥器单元入口处的蒸汽湿度负荷不均匀系数进行计算。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明方法采用欧拉-拉格朗日方法模拟汽水分离干燥器组件中的两相流动，其中蒸汽作为连续相采用欧拉方法模拟，被夹带的液滴作为离散相采用拉格朗日方法追踪。

一种计算汽水分离干燥器蒸汽湿度负荷分布不均匀系数的方法，包括如下步骤：

步骤1：利用计算流体力学软件对汽水分离干燥器系统内的连续相蒸汽的稳态流场进行计算，具体步骤如下：

步骤1-1：利用计算流体力学软件读入汽水分离干燥器系统的网格模型，该汽水分离干燥器系统的网格模型则成为求解的计算域；

步骤1-2：确定上述计算域内的流体类型：具体地，计算域中的流体类型为连续相蒸汽，连续相蒸汽密度以及运动粘度需要根据环境压力和温度确定；

步骤1-3：应用雷诺时均方法来模拟计算域内连续相蒸汽的湍流流动，即向待求解的动量方程中添加湍流动能输运方程和湍流动能耗散率输运方程；湍流动能输运方程和湍流动能耗散率输运方程如下所示：

其中公式(1)是湍流动能输运方程；公式(2)是湍流动能耗散率输运方程；公式(3)为湍流动能产生率方程，是公式(2)中湍流动能产生率G的计算公式；上述3个公式中：

i,j——坐标轴编号；

k——湍流动能，m²/s²；

ε——湍流动能耗散率；

t——时间,s；

x_i——在编号为i的坐标轴方向上的空间位置坐标，m；

x_j——在编号为j的坐标轴方向上的空间位置坐标，m；

u_i——在编号为i的坐标轴方向上的速度矢量m/s；

u_j——在编号为j的坐标轴方向上的速度矢量m/s

μ_t——连续相蒸汽的运动粘度，m²/s；

C₁,C₂,A,B——经验系数，取值分别为：1.44，1.92，1.0，1.3；

步骤1-4：确定计算域的入口与出口以及入口面与出口面上对于连续相蒸汽的具体边界条件：具体地，将汽水分离干燥器系统内的分离器组件的入口设置为计算域的入口；将汽水分离干燥器系统的上顶盖出口设置为计算域出口；另外，将上述入口确定为速度入口类型，即需要给定该入口处的连续相蒸汽的速度值，该速度值的确定方法如下式所示：

式中：

V——计算域入口处连续相蒸汽速度,m/s；

M_in——计算域入口处连续相蒸汽质量流量，kg/s；

A_in——计算域入口的面积，m²；

ρ——连续相蒸汽的密度，kg/m³；

将上述出口确定为压力出口类型，即需要给定出口处的连续相蒸汽的相对压力，出口处压力与环境压力相同，出口处连续相蒸汽相对压力值设置为0；

步骤1-5：在网格模型的每个网格单元内迭代求解质量守恒方程和动量守恒方程，以得到计算域内连续相蒸汽的稳态流场；

步骤2：在步骤1中得到的连续相蒸汽的稳态流场基础上进行离散相液滴的计算，具体步骤如下：

步骤2-1：确定流体域内离散相液滴的物理性质：具体地，离散相液滴的密度及运动粘度性质需要根据环境压力和温度确定；

步骤2-2：确定计算域入口对于离散相液滴的边界条件：具体地，在入口处设置离散相液滴的入射速度，计算方法与连续相蒸汽的入口速度的计算方法相同，即由离散相液滴在入口处的质量流量除以离散相液滴的密度与入口面积的乘积，由下式表示：

式中：

U——计算域入口处离散相液滴速度,m/s；

M_d——计算域入口处离散相液滴质量流量，kg/s；

ρ_droplet——离散相液滴的密度，kg/m³；

另外，计算域对于离散相液滴的壁面边界设置为捕捉壁面，即认为液滴撞击到计算域的壁面即消失；

步骤2-3：建立离散相液滴的受力模型：具体地，考虑离散相液滴所受的重力和在连续相蒸汽中所受到的曳力；考虑了上述受力后，单个离散相液滴的位置方程和动量方程为：

公式(6)为单个离散相液滴的位置方程；公式(7)为单个离散相液滴的动量方程；公式(8)为公式(7)中曳力系数F_D的计算公式；公式(9)为公式(8)中的单个离散相液滴的雷诺数Re_gd的计算公式；公式(10)为公式(8)中的系数C_D的计算公式；上述5个公式中：

x——位置坐标；

t——时间，s；

u_d——离散相液滴的速度，m/s；

u_g——连续相蒸汽的速度，m/s；

g_x——重力加速度在x,y,z方向上的分量，m/s²；

ρ_d——离散相液滴的密度，kg/m³；

ρ_g——连续相蒸汽的密度，kg/m³；

μ_g——离散相液滴的运动粘度，m²/s；

D_d——单个离散相液滴的直径，m；

b₁，b₂——系数，取值分别为：0.167，0.667；

步骤2-4：将连续相蒸汽与离散相液滴之间的相互作用确定为单向耦合，即只考虑连续相蒸汽对离散相液滴的运动状态的影响，而不考虑连续相蒸汽对离散相液滴的影响；

步骤2-5：求解离散相液滴的位置方程和动量方程；得到离散相液滴的稳态流场；

步骤3：对步骤1得到的计算域内连续相蒸汽的稳态流场和步骤2中得到的离散相液滴的稳态流场进行后处理，计算连续相蒸汽在汽水分离干燥器系统的干燥器组件中各波形板干燥器单元入口的湿度负荷不均匀系数，具体步骤如下：

步骤3-1：运用后处理软件CFD-POST，导入连续相蒸汽的稳态流场和离散相液滴的稳态流场即得到各个波形板干燥器单元入口面处的连续相蒸汽和离散相液滴的质量流量；

步骤3-2：通过上步得到的连续相蒸汽和离散相液滴在波形板干燥器单元入口的质量流量计算各波形板干燥器单元入口连续相蒸汽的平均相对湿度，计算公式如下式所示：

式中：

η_i——编号为i的波形板干燥器单元入口处的连续相蒸汽平均相对湿度；

m_d——离散相液滴在波形板干燥器单元入口处的质量流量,kg/s；

m_s——连续相蒸汽在干燥器单元入口处的质量流量,kg/s；

步骤3-3：计算连续相蒸汽湿度负荷的不均匀系数，计算公式如下式所示：

式中：

C——连续相蒸汽湿度负荷的不均匀系数；

n——汽水分离干燥器系统内的干燥器组件中的波形板干燥器单元个数。

本发明具有以下有益效果：

1)能够在压水堆蒸汽发生器汽水分离干燥器组件的全尺寸模型上利用计算流体力学手段得到波形板干燥器单元入口处的连续相蒸汽的湿度负荷不均匀情况；

2)模型独立，方法通用性强，可以适应于不同类型的流体力学计算分析程序。

附图说明

图1为先进压水堆中汽水分离干燥器系统三维几何结构模型。

图2为计算域模型。

图3为先进压水堆中汽水分离干燥器系统内的干燥器组件的几何结构。

图4为先进压水堆中汽水分离干燥器系统内的干燥器组件中波形板干燥器单元的几何结构。

图5为本发明流程图。

具体实施方式

以下结合图5所示流程图，以先进压水堆中蒸汽发生器内汽水分离干燥器中各波形板干燥器单元入口处连续相蒸汽湿度负荷不均匀系数计算过程为例，对本发明作进一步的详细描述。先进压水堆中蒸汽发生器内汽水分离干燥器系统的几何结构如图1所示。

本发明一种计算波形板干燥器单元入口处蒸汽湿度负荷分布不均匀系数的方法，包括以下步骤：

步骤1：利用计算流体力学软件ANSYS-FLUENT对汽水分离干燥器系统内的连续相蒸汽的稳态流场进行计算，具体步骤如下：

步骤1-1：利用流体力学软件ANSYS-FLUENT读入汽水分离干燥器系统的网格模型，该汽水分离干燥器系统的网格模型则成为本次求解的计算域，该计算域如图2所示，为展示清晰，图2中将网格线隐去。。

步骤1-2：确定上述计算域内的流体类型。具体地，对于该问题，计算域中的流体类型为连续相蒸汽，并将其密度和运动粘度分别设置为：34.959kg/m³和1.885×10^-5m²/s；

步骤1-3：应用雷诺时均方法来模拟计算域内连续相蒸汽的湍流流动，即向待求解的动量方程中添加湍流动能输运方程和湍流动能耗散率输运方程。湍流动能输运方程和湍流动能耗散率输运方程如下所示：

其中公式(1)是湍流动能输运方程；公式(2)是湍流动能耗散率输运方程；公式(3)为湍流动能产生率方程，是公式(2)中湍流动能产生率G的计算公式。上述3式中：

i，j——坐标轴编号；

k——湍流动能，m²/s²；

ε——湍流动能耗散率；

t——时间，s；

x_i——在编号为i的坐标轴方向上的空间位置坐标，m；

x_j——在编号为j的坐标轴方向上的空间位置坐标，m；

u_i——在编号为i的坐标轴方向上的速度矢量m/s；

u_j——在编号为i的坐标轴方向上的速度矢量m/s；

μ_t——连续相蒸汽的运动粘度，m²/s；

C₁,C₂,A,B——经验系数，取值分别为：1.44，1.92，1.0，1.3；

步骤1-4：确定计算域的入口与出口以及入口面与出口面上对于连续相蒸汽的具体边界条件：具体地，将汽水分离干燥器系统内的分离器组件的入口设置为计算域的入口；将汽水分离干燥器系统的上顶盖出口设置为计算域出口；另外，将上述入口确定为速度入口类型，即需要给定该入口处的连续相蒸汽的速度值，该速度值的确定方法如下式所示：

式中：

V——计算域入口处连续相蒸汽速度,m/s；

M_in——计算域入口处连续相蒸汽质量流量，kg/s；

A_in——计算域入口的面积，m²；

ρ——连续相蒸汽的密度，kg/m³；

将上述出口确定为压力出口类型，即需要给定出口处的连续相蒸汽的相对压力，出口处压力与环境压力相同，出口处连续相蒸汽相对压力值设置为0；

步骤1-5：在网格模型的每个网格单元内迭代求解质量守恒方程和动量守恒方程，以得到计算域内连续相蒸汽的稳态流场；

步骤2：在步骤1中得到的连续相蒸汽稳态流场基础上采用ANSYS-FLUENT软件中的DPM模型进行离散相液滴的计算，具体步骤如下：

步骤2-1：确定流体域内离散相液滴的物理性质。具体地，离散相液滴的密度及运动粘度等性质分别确定为：744.57kg/m³和1.1×10^-6m²/s；

步骤2-2：确定计算域入口对于离散相液滴的边界条件：具体地，在入口处设置离散相液滴的入射速度，计算方法与连续相蒸汽的入口速度的计算方法相同，即由离散相液滴在入口处的质量流量除以离散相液滴的密度与入口面积的乘积，由下式表示：

式中：

U——计算域入口处离散相液滴速度，m/s；

M_d——计算域入口处离散相液滴质量流量，kg/s；

ρ_droplet——离散相液滴的密度，kg/m³；

另外，计算域对于离散相液滴的壁面边界设置为捕捉壁面，即认为液滴撞击到计算域的壁面即消失；

步骤2-3：建立离散相液滴的受力模型：具体地，考虑离散相液滴所受的重力和在连续相蒸汽中所受到的曳力；考虑了上述受力后，单个离散相液滴的位置方程和动量方程为：

公式(6)为单个离散相液滴的位置方程；公式(7)为单个离散相液滴的动量方程；公式(8)为公式(7)中曳力系数F_D的计算公式；公式(9)为公式(8)中的单个离散相液滴的雷诺数Re_gd的计算公式；公式(10)为公式(8)中的系数C_D的计算公式；上述5个公式中：

x——位置坐标；

t——时间，s；

u_d——离散相液滴的速度，m/s；

u_g——连续相蒸汽的速度，m/s；

g_x——重力加速度在x,y,z方向上的分量，m/s²；

ρ_d——离散相液滴的密度，kg/m³；

ρ_g——连续相蒸汽的密度，kg/m³；

μ_g——离散相液滴的运动粘度，m²/s；

D_d——单个离散相液滴的直径，m；

b₁,b₂——系数，取值分别为：0.167,0.667；

步骤2-4：将连续相蒸汽与离散相液滴之间的相互作用确定为单向耦合，即只考虑连续相蒸汽对离散相液滴的运动状态的影响，而不考虑连续相蒸汽对离散相液滴的影响；

步骤2-5：求解离散相液滴的位置方程和动量方程；得到离散相液滴的稳态流场；

步骤3：对步骤1得到的计算域内连续相蒸汽的稳态流场和步骤2中得到的离散相液滴的稳态流场进行后处理，计算连续相蒸汽在汽水分离干燥器系统的干燥器组件7个波形板干燥器单元入口的湿度负荷不均匀系数，具体步骤如下：

步骤3-1：运用后处理软件CFD-POST，导入连续相蒸汽和离散相液滴的稳态流场即可得到各个波形板干燥器单元入口面处的连续相蒸汽和离散相液滴的质量流量。先进压水堆中的汽水分离干燥器系统内的干燥器组件以及干燥器组件中的波形板干燥器单元的几何结构分别如图3和4所示，其中干燥器组件包含7个波形板干燥器单元；

步骤3-2：通过上步得到的连续相蒸汽和离散相液滴在波形板干燥器单元入口的质量流量计算各波形板干燥器单元入口连续相蒸汽的平均相对湿度，计算公式如下式所示：

式中：

η_i——编号为i的波形板干燥器单元入口处的连续相蒸汽平均相对湿度；

m_d——离散相液滴在波形板干燥器单元入口处的质量流量,kg/s；

m_s——连续相蒸汽在干燥器单元入口处的质量流量,kg/s；

步骤3-3：计算连续相蒸汽湿度负荷的不均匀系数，计算公式如下式所示：

式中：

C——连续相蒸汽湿度负荷的不均匀系数；

n——汽水分离干燥器系统内的干燥器组件中的波形板干燥器单元个数；

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (1)

1.一种计算汽水分离干燥器蒸汽湿度负荷分布不均匀系数的方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：利用计算流体力学软件对汽水分离干燥器系统内的连续相蒸汽的稳态流场进行计算，具体步骤如下：

步骤1-1：利用计算流体力学软件读入汽水分离干燥器系统的网格模型，该汽水分离干燥器系统的网格模型则成为求解的计算域；

步骤1-2：确定上述计算域内的流体类型：具体地，计算域中的流体类型为连续相蒸汽，连续相蒸汽密度以及运动粘度需要根据环境压力和温度确定；

步骤1-3：应用雷诺时均方法来模拟计算域内连续相蒸汽的湍流流动，即向待求解的动量方程中添加湍流动能输运方程和湍流动能耗散率输运方程；湍流动能输运方程和湍流动能耗散率输运方程如下所示：

其中公式(1)是湍流动能输运方程；公式(2)是湍流动能耗散率输运方程；公式(3)为湍流动能产生率方程，是公式(2)中湍流动能产生率G的计算公式；上述3个公式中：

i,j——坐标轴编号；

k——湍流动能，m²/s²；

ε——湍流动能耗散率；

t——时间,s；

x_i——在编号为i的坐标轴方向上的空间位置坐标，m；

x_j——在编号为j的坐标轴方向上的空间位置坐标，m；

u_i——在编号为i的坐标轴方向上的速度矢量m/s；

u_j——在编号为j的坐标轴方向上的速度矢量m/s；

μ_t——连续相蒸汽的运动粘度，m²/s；

C₁,C₂,A,B——经验系数，取值分别为：1.44，1.92，1.0，1.3；

步骤1-4：确定计算域的入口与出口以及入口面与出口面上对于连续相蒸汽的具体边界条件：具体地，将汽水分离干燥器系统内的分离器组件的入口设置为计算域的入口；将汽水分离干燥器系统的上顶盖出口设置为计算域出口；另外，将上述入口确定为速度入口类型，即需要给定该入口处的连续相蒸汽的速度值，该速度值的确定方法如下式所示：

式中：

V——计算域入口处连续相蒸汽速度,m/s；

M_in——计算域入口处连续相蒸汽质量流量，kg/s；

A_in——计算域入口的面积，m²；

ρ——连续相蒸汽的密度，kg/m³；

将上述出口确定为压力出口类型，即需要给定出口处的连续相蒸汽的相对压力，出口处压力与环境压力相同，出口处连续相蒸汽相对压力值设置为0；

步骤1-5：在网格模型的每个网格单元内迭代求解质量守恒方程和动量守恒方程，以得到计算域内连续相蒸汽的稳态流场；

步骤2：在步骤1中得到的连续相蒸汽的稳态流场基础上进行离散相液滴的计算，具体步骤如下：

步骤2-1：确定流体域内离散相液滴的物理性质：具体地，离散相液滴的密度及运动粘度性质需要根据环境压力和温度确定；

步骤2-2：确定计算域入口对于离散相液滴的边界条件：具体地，在入口处设置离散相液滴的入射速度，计算方法与连续相蒸汽的入口速度的计算方法相同，即由离散相液滴在入口处的质量流量除以离散相液滴的密度与入口面积的乘积，由下式表示：

式中：

U——计算域入口处离散相液滴速度,m/s；

M_d——计算域入口处离散相液滴质量流量，kg/s；

ρ_droplet——离散相液滴的密度，kg/m³；

另外，计算域对于离散相液滴的壁面边界设置为捕捉壁面，即认为液滴撞击到计算域的壁面即消失；

步骤2-3：建立离散相液滴的受力模型：具体地，考虑离散相液滴所受的重力和在连续相蒸汽中所受到的曳力；考虑了上述受力后，单个离散相液滴的位置方程和动量方程为：

公式(6)为单个离散相液滴的位置方程；公式(7)为单个离散相液滴的动量方程；公式(8)为公式(7)中曳力系数F_D的计算公式；公式(9)为公式(8)中的单个离散相液滴的雷诺数Re_gd的计算公式；公式(10)为公式(8)中的系数C_D的计算公式；上述5个公式中：

x——位置坐标；

t——时间，s；

u_d——离散相液滴的速度，m/s；

u_g——连续相蒸汽的速度，m/s；

g_x——重力加速度在x,y,z方向上的分量，m/s²；

ρ_d——离散相液滴的密度，kg/m³；

ρ_g——连续相蒸汽的密度，kg/m³；

μ_g——离散相液滴的运动粘度，m²/s；

D_d——单个离散相液滴的直径，m；

b₁,b₂——系数，取值分别为：0.167,0.667；

步骤2-4：将连续相蒸汽与离散相液滴之间的相互作用确定为单向耦合，即只考虑连续相蒸汽对离散相液滴的运动状态的影响，而不考虑连续相蒸汽对离散相液滴的影响；

步骤2-5：求解离散相液滴的位置方程和动量方程；得到离散相液滴的稳态流场；

步骤3：对步骤1得到的计算域内连续相蒸汽的稳态流场和步骤2中得到的离散相液滴的稳态流场进行后处理，计算连续相蒸汽在汽水分离干燥器系统的干燥器组件中各波形板干燥器单元入口的湿度负荷不均匀系数，具体步骤如下：

步骤3-1：运用后处理软件CFD-POST，导入连续相蒸汽的稳态流场和离散相液滴的稳态流场即得到各个波形板干燥器单元入口面处的连续相蒸汽和离散相液滴的质量流量；

步骤3-2：通过上步得到的连续相蒸汽和离散相液滴在波形板干燥器单元入口的质量流量计算各波形板干燥器单元入口连续相蒸汽的平均相对湿度，计算公式如下式所示：

式中：

η_i——编号为i的波形板干燥器单元入口处的连续相蒸汽平均相对湿度；

m_d——离散相液滴在波形板干燥器单元入口处的质量流量,kg/s；

m_s——连续相蒸汽在干燥器单元入口处的质量流量,kg/s；

步骤3-3：计算连续相蒸汽湿度负荷的不均匀系数，计算公式如下式所示：

式中：

C——连续相蒸汽湿度负荷的不均匀系数；

n——汽水分离干燥器系统内的干燥器组件中的波形板干燥器单元个数。

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