船用蒸汽蓄热器放汽过程动态特性数值模拟

郝金玉，张晓滨，杨元龙

1 海军装备部驻沈阳地区军事代表局，辽宁沈阳110031

2 中国舰船研究设计中心，湖北武汉，430064

0 引 言

船用蒸汽蓄热器是在极短时间内为瞬时耗气量极大的蒸汽用户提供规定压力和温度蒸汽的储能设备，具有放汽时间短、瞬时放汽量高、非平衡动态变化的特点［1］。其放汽过程是极为复杂的闪蒸过程，常伴有汽水两相的热质传递和流动结构转换，会对蒸汽蓄热器动态工作特性造成很大影响。因此，准确揭示放汽过程中船用蒸汽蓄热器内部参数的动态变化规律，对船舶蒸汽动力系统安全稳定地运行极其重要。

目前，国内外学者针对蒸汽蓄热器放汽过程及其闪蒸特性做了大量研究［2-5］。Steinmann 等［5］建立蒸汽蓄热器热平衡模型，基于数值分析手段研究了蒸汽蓄热器动态放汽过程；孙宝芝等［6］针对船用蒸汽蓄热器不同的运行工况，进行了蒸汽蓄热器放汽试验研究。Sun 等［7］采用两流体模型分析了蒸汽发生器闪蒸及汽液两相流动规律；Stevanovic 等［8］基于热力学相变模型，仿真研究了蒸汽蓄热器充、放汽过程的闪蒸规律。由于舰船蒸汽蓄热器的设计技术封锁，鲜有关于船用蒸汽蓄热器放汽过程动态特性数值计算方面的文献。鉴于此，本文将以船用蒸汽蓄热器为研究对象，采用两流体模型和热相变模型，通过数值仿真，研究船用蒸汽蓄热器放汽过程的动态性能，探索压力、温度、水位等重要热工水力参数的变化规律，以期明晰船用蒸汽蓄热器的动态运行特性。

1 几何模型及网格划分

图1 为蒸汽蓄热器结构模型。蒸汽蓄热器两端采用半球形封头，直径0.8 m，筒身长2 m；过热蒸汽由分配集管供入，出口位于上筒体中点处，出口直径0.08 m，高度0.25 m。

图1 蒸汽蓄热器物理模型Fig.1 Physical model of steam accumulator

蒸汽蓄热器采用非结构化网格方式进行网格划分（图2），放汽口、筒壁处网格进行局部加密处理。基于网格敏感性分析，确认计算域共计350 000个单元，扩展率、倾斜度及扭曲度达到标准。

图2 网格模型Fig.2 Grid model

2 数学控制方程

利用两流体模型描述蒸汽蓄热器放汽过程中的闪蒸规律，分别包括汽水两相流的质量、动量和能量方程，通过控制方程耦合计算，捕捉蓄热器放汽过程中汽水两相流动结构与沸腾传热结构。两流体模型控制方程的具体形式详见文献［9］。

热相变模型假设汽水两相通过相界面完成质量、动量和能量的传递过程［9］。采用标准k-ε 湍流方程计算蓄热器的湍流流动形式。

3 边界条件

为计算船用蒸汽蓄热器的放汽过程，根据船用蒸汽蓄热器放汽特性参数，设置数值计算的边界条件：初始压力0.8 MPa，初始水位400 mm；出口放汽为指数压降方式：0 ≤t ≤1，放汽时间1 s，放汽过程中，进汽集管处于关闭状态。筒壁为绝热条件，采用标准壁面函数计算近壁区域流动结构。

4 蓄热器放汽过程动态特性分析

4.1 水力动态特性分析

图3 蒸汽蓄热器压力随时间变化曲线Fig.3 Pressure curves of steam accumulator

图4 t=0.5 s 时压力分布规律Fig.4 Pressure distributions at 0.5 s

图3 和图4 分别为蒸汽蓄热器放汽压力的变化曲线与分布云图。从图3 可以看出，由于蒸汽蓄热器出口压力以指数方式下降，促使蒸汽蓄热器液相温度高于该压力状态下对应的饱和温度，水处于过热状态，进而发生闪蒸现象，最终导致蓄热器压力随着放汽时间的推移不断降低。数值计算的压力变化规律与试验结果吻合较好。

图5 和图6 分别为t=0.5 s 时蒸汽蓄热器内水、汽速度分布矢量图。由图5 可知，出口压力呈指数形式快速下降，闪蒸过程产生了剧烈的沸腾蒸发现象，进而导致闪蒸出的蒸汽从蓄热器出口快速流出，在汽水两相浮力和拖曳力的作用下，少部分水以较低的流速从出口流出。

图5 t=0.5 s时汽相速度分布矢量图Fig.5 Vapor phase velocity vector at 0.5 s

从图6 中可以看出，蒸汽蓄热器水空间形成了2 个对称的漩涡，其会诱发水空间产生涡流效应，进而产生强烈的自然对流循环现象。究其原因，主要是随着蒸汽蓄热器出口压力的快速降低，汽水交界面最先处于过热状态，诱发液面处的水发生剧烈的沸腾现象，导致液面处水的温度降低，密度增大，进而与水空间底部高温水形成密度差，在蓄热器水空间形成自然对流循环现象。自然对流循环过程不但强化汽水两相间的流动与传热，更不断补充液面处水的热量，促进闪蒸现象发生。

图6 t=0.5 s时水相速度分布矢量图Fig.6 Water phase velocity vector at 0.5 s

蒸汽蓄热器水位变化规律如图7～图10 所示。从图8 中可以发现，在闪蒸发生初期（t=0.4 s时），蓄热器水位产生了“虚假水位”。这主要是由于蓄热器出口压力快速下降，促使蓄热器内压力不断下降，液面处水最先过热沸腾而发生闪蒸现象，瞬时产生大量蒸汽，导致汽水混合物体积膨胀，促使水位很快上升，从而蓄热器水位形成“虚假水位”现象。

图7 t=0.2 s时水位分布规律Fig.7 Water level distribution at 0.2 s

图8 t=0.4 s时水位分布规律Fig.8 Water level distribution at 0.4 s

图9 t=0.6 s时水位分布规律Fig.9 Water level distribution at 0.6s

图10 t=1 s时水位分布规律Fig.10 Water level distribution at 1 s

4.2 热工动态特性

图11 为蒸汽蓄热器出口蒸汽温度随时间的变化曲线。从图中可以看出，蓄热器出口蒸汽温度随闪蒸时间快速降低。这主要是由于蓄热器出口压力呈指数形式急剧下降，致使闪蒸过程产生剧烈的沸腾蒸发现象，进而导致蓄热器蒸汽温度不断降低。从图12～图14 中可以看出，随着蒸汽蓄热器放汽过程的进行，剧烈的闪蒸过程主要发生在汽水交界面，促使该区域温度降低，但主体介质温度变化较小，同时，由于蒸汽瞬时放出，在汽水之间拖曳力和浮力的作用下，蓄热器水位不断升高，170 ℃水的面积比例也逐渐增加。

图11 蒸汽温度随时间变化规律Fig.11 Steam temperature distributions

图12 t=0.5 s 时水温度分布云图Fig.12 Water temperature contours at 0.5 s

图13 t=0.7 s 时水温度分布云图Fig.13 Water temperature contours at 0.7 s

图14 t=1 s时水温度分布云图Fig.14 Water temperature contours at 1 s

5 结 论

在指数压降放汽模式下，利用流体计算软件，进行了船用蒸汽蓄热器放汽过程数值模拟，得到了蓄热器放汽过程压力和温度动态变化规律。所得主要结论如下：

1）在指数压降放汽方式下，蓄热器蒸汽压力和温度近似呈指数形式快速下降，与试验结果吻合较好；

2）在放汽起始阶段，由于闪蒸的作用，蒸汽蓄热器内部水位形成“虚假水位”；

3）放汽过程后期，蒸汽蓄热器水空间诱发涡流效应，进而产生自然对流循环，强化汽水两相的流动与沸腾传热，促进闪蒸放汽过程进行。

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