水平加热管束间三维汽液两相流特性的研究

作者:杨瑞昌;郑荣钏;王彦武;周立加 刊名:清华大学学报(自然科学版) 上传者:何杰

【摘要】针对卧式火管式蒸汽发生器的结构特点 ,对水平加热管束间的三维汽液两相流特性进行了实验研究。用单探头和三探头单纤光导探针分别测定了加热管束间的空泡份额分布和汽相速度分布。开发了三维汽液两相低雷诺数湍流漂移数学模型和相应的数值计算方法。为计算漂移数学模型中的汽相速度 ,综合考虑了重力和流体本身的加速作用对汽相漂移速度的影响 ,故该漂移数学模型可用于分析多维汽液两相流。计算结果与实验测量值符合良好 ,证明该数学模型是正确可靠的。

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由于高温高压的卧式火管式蒸汽发生器具有结构紧凑、管束间热负荷分布均匀、水循环安全可靠等特点,近年来开始在石油和煤化工领域以及常规蒸汽动力等部门得到重视和采用。运行实践表明,由于受设备外部强制循环的复合影响,汽水工质会在加热管束间产生复杂的内循环现象,流体的内循环流动导致加热管束间出现涡流及流动停滞,从而引起传热恶化、污垢沉积等现象,发生设备事故。到目前为止,有关管束间汽液两相流的实验研究以空气水为工质的研究居多,且多以研究流动阻力特性为主。由于管束间的汽液两相流为三维流动且流速较低,使用常规的测量方法以测量工质流速等参数困难较大,所以有关管束间三维汽液两相流的实验研究报道很少。另一方面,国内外已有不少有关管束间汽液两相流的理论分析研究报道,理论分析主要采用两流体模型或混合物模型进行数值计算。已有的理论分析大多采用两流体模型[1],但采用两流体模型需要涉及相界面传输特性的计算,不仅困难很大,而且适用范围有限。混合物模型(又称扩散模型或漂移模型)在将两相流体当作混合物进行处理的同时,又单独考虑汽相的流动特性,不仅模型简单,而且计算结果具有很高的精确度和可靠性[2]。但已有的漂移模型在计算汽相的漂移速度时,只考虑重力的作用,因而不适用于分析多维汽液两相流[3]。本文对水平加热管束间的汽液两相内循环特性进行了实验研究和理论分析,在实验过程中测定了加热管束间的空泡份额分布和汽相速度分布,在理论分析过程中,依据修正的漂移模型[4],开发了一种新的数学模型和数值计算方法。1实验研究模型实验系统见图1,实验工质为去离子水。实验段的横断面结构见图2,实验段按照模拟实际卧式火管式废热锅炉在靠近管板处的几何结构进行设计,实验段的筒内径为145mm,在深度方向(沿水平管束的轴向长度方向)为60mm,实验段内共水平布置14根10mm的电加热棒,实验段进出口管的内径为20mm。实验段迎面的一个端面用透明玻璃构成,以便于对实验段内工质的流动状态进行可视化观察。在实验段外筒左侧沿深度方向的中心位置处开有一个测孔,用以插入光导探针测量局部空泡份额和汽相速度分布。实验过程中主要测定了沿实验段横断面上的空泡份额分布和二维汽相速度分布。为测量二维汽相速度,开发了相应的无相关汽泡剔除技术,详见文[5]。实验过程中通过可视化观察发现,在加热管束间存在明显的内循环流动,由实验测得的管束间两相流的局部空泡份额和汽相速度分布,为随后的内循环特性数学模型计算提供了检验数据。图1实验回路示意图图2实验段横断面结构示意图(单位:mm)2数值模拟根据实验观察结果,本文建立了分析水平加热管束间三维汽液两相内循环特性的数学模型,数学模型采用既能反映汽液两相混合物的整体特性,又能反映汽相和液相具有不同流动特性的三维汽液两相漂移模型。同时考虑到实际流体的流动属于低雷诺数湍流流动的特点,因而使用低雷诺数湍流模型。由于两相混合物密度变化很大,在湍流模型中引入了密度脉动项。为了提高数值计算的稳定性,对守恒方程引入了非稳定项。为了解决水平管束间的流场计算问题,在各个守恒方程中引入了附加源项Su,Sv,Sw,Sh,Sk,S和S。根据以上分析,描述直角坐标系下水平加热管束间三维汽液两相流动的基本方程组可表达成如下形式[5]:混合物连续方程:t+ujxj=xjtxj(1)汽相连续方程:gt+gujxj=-xjg1udj+S(2)混合物动量方程:uit+ujuixj=-Pxi+xjeuixj+ujxi+gi-xjg1(1-)udjudi+xjtuixj+ujxi+ttxi+Su(3)混合物能量方程:ht+ujhxj=xjPr+

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