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涡流式分离器气液两相分离数值模拟研究

张泽楷 张婷婷 尹莎莎 尹俊连 王德忠

张泽楷, 张婷婷, 尹莎莎, 尹俊连, 王德忠. 涡流式分离器气液两相分离数值模拟研究[J]. 核动力工程, 2022, 43(6): 201-208. doi: 10.13832/j.jnpe.2022.06.0201
引用本文: 张泽楷, 张婷婷, 尹莎莎, 尹俊连, 王德忠. 涡流式分离器气液两相分离数值模拟研究[J]. 核动力工程, 2022, 43(6): 201-208. doi: 10.13832/j.jnpe.2022.06.0201
Zhang Zekai, Zhang Tingting, Yin Shasha, Yin Junlian, Wang Dezhong. Numerical Simulation of Gas-liquid Two-phase Separation in Vortex Separator[J]. Nuclear Power Engineering, 2022, 43(6): 201-208. doi: 10.13832/j.jnpe.2022.06.0201
Citation: Zhang Zekai, Zhang Tingting, Yin Shasha, Yin Junlian, Wang Dezhong. Numerical Simulation of Gas-liquid Two-phase Separation in Vortex Separator[J]. Nuclear Power Engineering, 2022, 43(6): 201-208. doi: 10.13832/j.jnpe.2022.06.0201

涡流式分离器气液两相分离数值模拟研究

doi: 10.13832/j.jnpe.2022.06.0201
基金项目: 中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室基金(HT-KFKT-02-2020001)
详细信息
    作者简介:

    张泽楷(1997—),男,硕士研究生,现主要从事气液两相流方面的研究,E-mail:zk09150777@sjtu.edu.cn

  • 中图分类号: TL334

Numerical Simulation of Gas-liquid Two-phase Separation in Vortex Separator

  • 摘要: 对于气液两相分离,传统分离器或体积过大,或旋流强度低,因此考虑提出一种新式的涡流式分离器。利用涡流二极管逆向流动形成强度较高旋流的特点,在旋流腔上方加入一根支管,从切向入口进入的两相流由于密度差和旋流的作用,气相会聚集在中心由于浮力作用从上支管流出分离器,液相会分布在四周由于重力作用从下支管流出分离器,从而实现两相分离。采用数值模拟的方式分别对不同旋流腔尺寸以及出口形状的分离器进行计算,模拟结果表明,在进口流量为0.5 t/h、入口含气率1%~5%工况下,控制底流口压力和入口相同,溢流口与入口压差在80~90 kPa范围内,分离器对粒径在50~100 μm的气泡分离效率可以达到90%以上。

     

  • 图  1  涡流式分离器流体域模型图

    a—切向入口;b—圆盘形旋流腔;c—上支管;d—下支管

    Figure  1.  Fluid Domain Model Diagram of Vortex Separator

    图  2  网格绘制示意图

    Figure  2.  Schematic Diagram of Grid Drawing

    图  3  网格无关性验证

    Figure  3.  Grid Independence Verification

    图  4  模型A和模型B在0.5 t/h进口流量下的压力分布云图     

    Figure  4.  Cloud Chart of Pressure Distribution of Model A and Model B at 0.5 t/h Inlet Velocity

    图  5  不同溢流口背压下模型B气相体积分数分布云图

    Figure  5.  Cloud Chart of Model B Gas Volume Fraction Distribution under Different Back Pressures

    图  6  下出口含气率及上出口夹带率随溢流口背压变化

    Figure  6.  Lower Outlet Air Content and Upper Outlet Entrainment Rate Varying with Back Pressure of Overflow Port

    图  7  不同气泡直径下模型B气相体积分数分布云图

    Figure  7.  Cloud Chart of Model B Gas Volume Fraction Distribution under Different Bubble Diameters

    图  8  锥形轴向出口涡流式分离器模型C

    Figure  8.  Vortex Separator Model C with Conical Axial Outlet

    图  9  不同气泡直径下模型C气相体积分数分布云图

    Figure  9.  Cloud Chart of Model C Gas Volume Fraction Distribution under Different Bubble Diameters

    图  10  涡流式分离效率随气泡直径的变化

    Figure  10.  Separation Efficiencies Varying with Bubble Size      

    表  1  网格无关性验证设置

    Table  1.   Set of Grid Independence Verification

    网格编号 网格尺寸/mm 网格数量
    1 2.60 534160
    2 1.90 1003211
    3 1.55 1540675
    4 1.35 2044809
    5 1.19 2520578
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    表  2  涡流式分离器模型尺寸参数

    Table  2.   Dimension Parameters of Vortex Separator

    参数 模型A 模型B
    旋流腔直径/mm 150 200
    旋流腔高度/mm 30 20
    切向入口直径/mm 30 20
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    表  3  中心压降随背压变化

    Table  3.   Center Pressure Drop Varying with Back Pressure

    溢流口背压/MPa 中心压力/MPa 中心压降/kPa
    14.95 14.955 45
    14.94 14.954 46
    14.93 14.953 47
    14.92 14.952 48
    14.91 14.951 49
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    表  4  出口质量流量随溢流口背压变化

    Table  4.   Mass Flow Rate at Outlet Varying with Back Pressure       

    溢流口
    背压/MPa
    底流口质量流量/
    (10−3 kg·s−1)
    溢流口质量流量/
    (10−3 kg·s−1)
    分离效率/%
    液体 气体 液体 气体
    14.95 1314.00 8.09 4.45 2.40 22.62
    14.94 1304.29 4.60 14.27 5.95 56.47
    14.93 1297.10 2.46 21.57 8.12 77.20
    14.92 1289.94 1.19 28.09 9.52 90.03
    14.91 1282.16 0.59 34.92 10.30 96.69
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    表  5  不同模型分离效率比较

    Table  5.   Comparison of Separation Efficiencies of Different Models

    计算模型 模型B 模型C
    入口含气率/% 5 5
    气泡直径/μm 100 50 100 50
    下出口含气率/% 0.32 1.60 0.00004 0.68
    分离效率/% 96.7 65.5 >99 89.7
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    表  6  出口质量流量随含气率的变化

    Table  6.   Outlet Mass Flow Varying with Air Content

    入口含气率/% 底流口质量流量/
    (10−3 kg·s−1)
    溢流口质量流量/
    (10−3 kg·s−1)
    分离效率/%
    液体 气体 液体 气体
    1 1258.18 5.69×10−6 120.82 2.03 97
    3 1245.39 2.30×10−5 105.23 6.31 >99
    5 1231.42 5.36×10−5 90.82 10.58 >99
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    表  7  不同分离器性能比较

    Table  7.   Performance Comparison of Different Separators

    性能 旋叶式分离器 离心式柱状分离器 新式涡流分离器
    是否依赖背压
    鲁棒性能 中等
    压降大小 中等
    体积大小 中等
    分离性能
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-11-10
  • 修回日期:  2022-06-07
  • 刊出日期:  2022-12-14

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