球形高速混床水垫层流动特性数值模拟研究

2023-12-05陈明国

电力科技与环保 2023年5期

陈明国

（国网内蒙古东部电力有限公司，内蒙古呼和浩特 010010）

1 引言

凝结水精处理系统在火电厂与核电站中承担着去除水汽系统中腐蚀产物和溶解性杂质的作用［1-3］，对提高热力系统水汽品质具有决定性的意义。高速混床是凝结水精处理系统中最常见的除盐设备［4，5］。高速混床布水结构的布水均匀性影响着树脂交换容量的利用率，最终关系到混床的周期制水量，是高速混床布水结构性能的关键性能指标［6］。

针对高速混床的布水均匀性，很多学者做了大量的研究工作。张萍等［7］采用CFD 方法对凝结水处理混床的母支管式进水分配装置进行了模拟计算，获得了布水较为均匀的母支管结构和开孔方式。徐秀萍等［8-10］采用Fluent 软件对柱型高速混床的多种布水装置进行了数值模拟，并设计了一种一次向上挡板+填料的布水装置。田文华等［11］采用数值模拟方法研究了柱形混床内的速度均匀性指数，提出了布水效果更为均匀的加强型两级和双层多孔板布水装置，周期制水量达到了设计值的1.25 倍以上。张文学等［12］提出了一种球形高速混床螺旋导流布水装置，并进行了数值模拟研究，结果表明螺旋倒流器布水装置的布水均匀性提高了47.3%～59.3%。上述研究表明改善布水装置的结构能够显著提高混床的布水均匀性，对增加高速混床的周期制水量有着重要的作用。水垫层高度是影响高速混床布水均匀性的一个重要因素，但是目前现有相关的研究报道较少［13-24］。

鉴于此，本文采用数值模拟方法研究了一台球形高速混床水垫层内的流动规律，揭示了流量和水垫层高度对布水均匀性的影响规律，为高速混床结构设计提供依据。

2 研究方法

2.1 水垫层结构

图1 为球型高速混床的结构示意图，混床直径为3200 mm，其布水装置为穹形挡板+多孔板拧水帽的形式，穹形挡板直径为594 mm。布水装置的作用是将混床进口的凝结水均匀地分布在树脂层表面。带水帽的多孔板与树脂层之间的空间称为水垫层，经过布水装置的凝结水再经过水垫层流到树脂层表面。凝结水与树脂颗粒经过交换反应后通过混床底部的水帽汇集到混床出口腔体，直径为1 350 mm。

图1 球形高速混床结构示意图Fig.1 Schematic diagram of a sphere mix-bed

图2 所示为布水板上水帽的分布图，布水板直径为2 000 mm，水帽直径为80 mm，相邻水帽的间距为160 mm。

图2 布水板结构示意图Fig.2 Schematic diagram of the water-distributing plate

图3 所示为球型高速混床的3D 结构和网格划分情况，模型包含了流体流经的混床进口、布水装置、水垫层、树脂层、集水板和出口等。Y 轴方向为竖直方向，横截面为x-z 平面，凝结水通过混床进口向下流动。采用Gambit 软件对球形水垫结构进行网格划分，总网格量约为478万。

图3 高速混床模型和网格Fig.3 Model and mesh of the sphere mix-bed

2.2 数学模型

2.2.1 流体区域湍流模型

采用Realizable k-ε 模型计算流体的流动。Realizable k-ε模型优化了扩散方程并考虑了旋流对湍流的影响［11-12］。连续性方程和动量守恒方程如下：

式中，ρ为密度，u为速度，p为压力，g为重力加速度，μ为黏度，其中湍流黏度μt的定义如下：

其中Cμ为常数，k为湍流脉动能，ε为湍流脉动能的耗散率，k和ε由下式得出：

式中，Gk表示由平均速度梯度引起的湍动能生成量，Gb表示由浮力引起的湍动能生成量，σk和σε分别表示k和ε的湍流普朗特数，C1、C2、C1ε、C3ε为模型常数。

2.2.2 树脂层多孔介质模型

高速混床中的树脂层可认为是各向同性的多孔介质，树脂层中流体流动参数用表观量表示，即用多孔介质的孔隙率γ乘以相应的流动参数。质量方程和动量方程为［12］：

式（7）的右侧最后一项表示多孔介质的壁面对流体所施加的粘性和惯性力。

2.2.3 相对速度偏差

为了评价水垫层中流体的速度分布均匀性，本文定义了相对速度偏差的参数：

式中为横截面上的平均垂直速度，v′为该横截面上的速度标准差。相对速度偏差的值越大，表明该横截面上的速度分布越不均匀，该值越小，表明速度分布越均匀。

3 结果与讨论

在对高速混床进行数值计算之前，首先对模型的网格进行了无关性测试。图4所示为网格无关性测试结果，当网格数量增大时，树脂层表面的相对速度偏差逐渐降低。当网格数量为478 万时，树脂层表面的相对速度偏差值为0.1247。继续将网格数量增大到1427万时，树脂层表面的相对速度偏差值为0.1246，相比于478 万网格的工况几乎没有显著变化。因此，本文采用478 万级网格对高速混床进行数值模拟研究。表1 所示为本文的模拟研究工况。工况1 为额定工况，流量为600 t/h，水垫层高度为792 mm。工况2和工况3在额定工况的基础上分别将流量增大和减小170 t/h，用于分析流量对混床内流场的影响规律。工况4 和工况5 在额定工况的基础上分别将水垫层高度增大和减小200 mm，用于分析水垫层高度对混床内流场的影响规律。

表1 模拟工况Tab.1 Simulation cases

图4 网格无关性校验Fig.4 Grid-independence test

图5显示了额定工况下高速混床内的垂直速度分布云图，沿着竖直向下为正方向，为主流的流动方向。从图中可以看出，高速混床进口处的流速约为6.5 m/s，经穹型挡板导流后的流体向四周流动，然后流经装有水帽的布水板。从水帽流出的水形成垂直向下的射流，流速为1.2～1.5 m/s。随着射流向下流动，流速逐渐降低，同时射流区域逐渐向中心收缩。在树脂层上方，射流区域略微变大，然后逐渐消失。树脂层内的流速，相对树脂层上方的流动更为均匀。

图5 工况1条件下高速混床内的的速度云图Fig.6 Velocity counter of the vertical velocity in the mix-bed under case 1

图6所示为额定工况下水垫层横截面垂直向速度分布云图，图中的h′为相对高度，即该横截面距离树脂层表面的距离与水垫层高度的比值。图6（a）所示为靠近水帽的横截面的速度分布图，可以看出图中有很多与水帽位置相对应的速度中心，对应该区域的射流。而速度中心之间存在向上的流动，即图中的红色区域，速度为正值。在横截面的周围，存在速度为正的区域，表明此区域的流体是沿着混床壁面向上流动的。随着相对高度的降低，射流中心区域的速度逐渐变小，且逐渐混合，在相对高度为0.6 的横截面处已无法分辨出独立的射流中心。但是横截面中心区域的向上流却一直保持到相对位置为0.1 的横截面。图中范围较大的绿色区域为主流区，在树脂层上方形成4 个回旋镖形状的区域。随着相对高度的降低，靠近壁面区域的向上流动的速度也逐渐降低。在树脂层表面，即如图6（h）所示，树脂层表明的速度分布变得均匀。

图6 工况1条件下的水垫层横截面垂直向速度分布Fig.6 Vertical velocity distribution at cross-sections of water cushion layer

图7所示为树脂层表面及其下方树脂层内的横截面处的速度分布情况。从图7（a）可以看出树脂层表面的中心区域的速度较大，约为0.1 m/s，且分布相对不均，靠近壁面处的速度较小，分布较为均匀。对于树脂层下50 mm 处的横截面，形成了一个从外到内速度逐渐变大的环状速度分布情况，树脂层下100 mm 处的速度分布情况与图7（b）中的分布情况极为类似，表面树脂颗粒层对流速分布具有很好的均布作用。

图7 工况1条件下的树脂层横截面垂直向速度分布Fig.7 Vertical velocity distribution at cross-sections of resin layer

图8 所示为工况1 条件下高速混床内的压力分布云图，从图中可以看出沿着流动方向压力可明显分为4个区域，分别以布水板、树脂层表面和集水板为分界线。高速混床进口到布水板上方，压力变化损失很小，流体克服布水板上水帽的阻力流入水垫层，压力损失约为35.9 kPa。水垫层中流体的压力损失也很小，进入树脂层后流体压力逐渐降低，最后克服集水板上水帽的阻力流到高速混床出口。该工况下高速混床的阻力约为0.27 MPa。

图8 工况1条件下高速混床内的压力云图Fig.8 Pressure counter of the vertical velocity in the mix-bed under case 1

图9所示为水垫层的相对速度偏差随相对高度的变化规律，及高速混床流量对水垫层相对速度偏差的影响。随着相对高度的降低，各横截面的相对速度偏差呈现先缓慢增大，然后迅速降低的趋势。在水垫出口处，相对速度偏差约为2.98。随着流动的发展，对应于水帽的射流区域逐渐向中心缩小，而外围的逆流区域变大，导致相对速度偏差的略微最大。随着流体向树脂层表面靠近，中心的射流开始沿着树脂层表面向四周扩散开，中心射流区域速度降低，四周流体速度增大，使得树脂层表面的速度分布变得均匀，其相对速度偏差值约为0.124。随着流量从870t/h降低到330t/h，水垫层的相对速度偏差略微增大，但是区别不明显，最高达到6.45%。

图9 水垫层相对速度偏差随流量的变化Fig.9 Variation of relative velocity deviation of the water cushion layer with the mass flow rate

图10 所示为水垫层的相对速度偏差随水垫层高度的变化规律。当水垫层的高度为992 mm 和792 mm 时，随着相对高度的逐渐降低，相对速度偏差呈现先略微增大后快速下降的趋势，水垫层高度越高，则变化越显著。当水垫层高度为992 mm 时，相对速度偏差降低的拐点约在相对高度为0.4 的位置。当水垫层高度为792 mm 时，该拐点约在相对高度为0.6 的位置。当水垫层高度为592 mm 时，相对速度偏差降低的拐点约在相对高度为0.7 的位置。这说明随着水垫层高度的降低，相对速度偏差降低的拐点出现的越早。与此同时，随着水垫层的高度从992 mm 降低到592 mm 时，树脂层表面的相对速度偏差从0.236 降低到了0.079，表明树脂层表面的速度分布变得更加均匀。