海水淡化装置流场数值模拟及其优化

海水淡化装置流场数值模拟及其优化第!"卷第!期地质灾害与环境保护 #$%&!"’ ($&! )**+年 ,月 -$./01%$234$%$5671%8191/:;10:40?@/4;4/=1?6$0 A1/7B CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC )**+ 文章编号D !**EF+,E)G)**+H*!F**,IF*" 收稿日期D )**)J*KJ!E 大型海水淡化装置流场数值模拟及其优化庞虹!’姚征) G!&上海同济大学交通运...

第!"卷第!期地质灾害与环境保护 #$%&!"’ ($&! )**+年 ,月 -$./01%$234$%$5671%8191/:;10:<0=6/$0>40?@/4;4/=1?6$0 A1/7B CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC )**+ 文章编号D !**EF+,E)G)**+H*!F**,IF*" 收稿日期D )**)J*KJ!E 大型海水淡化装置流场数值模拟及其优化庞虹!’姚征) G!&上海同济大学交通运输工程学院’上海 )***K)L)&上海理工大学动力工程学院’上海 )***K,H 摘要D 利用计算流体力学软件 @B$4067;对海水淡化装置中的闪发腔内的流场进行计算’并分析绕流板的设置对湍流度的影响M由于以往对提高海水淡化装置特别是多级闪发装置GA.%?6N?154O%1;BANOH 效率的研究多局限于提高热效率的方面’或者是采用化学的方法’而忽视了从流体力学角度通过改变闪发腔内流动情况来提高效率M因此’本文通过对海水淡化装置闪发腔内流动情况的数值模拟’探索提高效率的方法M 关键词D 海水淡化L闪发GANOHL数值模拟L自由面L流体体积法G#POH 中图分类号D @I+I 文献标识码D Q 近年来随着经济的发展使得淡水的使用量急剧增加’淡水资源的开发势在必行’海水淡化技术是解决淡水来源的有效途径M在过去的几十年里’海水淡化装置的淡化水产量从小得近乎可以忽略到现在的每年数千亿加仑M大型的海水淡化工厂的日产量可以达到 R**万加仑M在这样的企业中’必须解决平稳S安全操作以及尽可能提高效率这些问题M全球海水淡化装置日产 )**亿加仑的淡化水总额中’约有 E&"亿加仑的淡化水是利用多级闪发装置GA.%?6J N?154O%1;BANOH生产的M在解决如何尽可能提高海水淡化装置尤其是多级闪发装置的效率这一问题方面’传统的思路是提高热效率’例如D如何充分利用经过闪发后的高浓度海水的余热’尽量提高过热海水温度等等M本文将从从流体力学角度来考虑这个问题M所做的工作是在海水高压腔出口前加置障碍板’通过提高海水的湍流度’并增加海水表面与空气的接触面积’以提高海水闪发的效率M通过不断调整障碍板的位置和数量’利用计算流体力学软件 @B$4067;计算在海水中’尤其是在液面附近的湍流强度’从而比较各种情况下’扰流的效果以及其对闪发效率的影响M ! 计算方法 T&T 设备简介本文将从另一角度研究如何提高海水闪发效率’即从流体力学角度来考虑这一问题’图 !即为海水淡化装置的多级闪发段的示意图’该图为三级闪发段’右下角小孔为下一级闪发室进口M T&U 海水淡化过程该装置是由逐级降压的闪发室串联而成的’过热高压海水流入装置右侧的高压腔’它在水位差作用下向下一级流动’靠逐级降压而保持的过热度使海水不断蒸发’产生水蒸汽后在低温海水管道附近液化G图 !H’淡化水流入积水盘中’低压腔内未蒸发的海水流入下一级闪发段高压腔内’经过多次闪发过程后的高浓度海水沿低温海水管道流出M显然’闪发室的设计是闪蒸效率的关键M由于闪蒸发生在空气与水的交界面上’过热水在闪蒸时所吸收的热量降低了表层水流的过热度’因此’闪发室的结构设计应增大水流上下层的交换’促使下层的过热水向表层运动’从而提高闪蒸效率M在闪发室内普遍采用阻流板来增强交换M但是计算结果表明’导致上下流层图 ! 海水淡化装置的多级闪发段示意图"三级# $%&’! ()*+%,+-&./*-,0%1&,.&2.1+3/+0.,.-4-+.567.8 ,-*+%1&,.++%1&, 交换的主要因素是存在于水流中的大尺度回流与漩涡9阻流板的作用在于改变这种回流与漩涡的结构: 阻流板的作用是增加回流9但也会增加流动损失9同时降低湍流度:然而在海水淡化装置中9海水逐级向前流动过程中并无能量补充9因此9设计的关键就在于怎样既有较高的上下回流又不致损失过高: 从计算流体力学角度看来9对闪发室内水流特性的模拟中较困难的是对自由面的模拟:自由面的求解有多种方法9以往曾采用势函数求解;!<9后来发展出欧拉法与拉格朗日法相结合的流体粒子标记法 "(=>#;?9@求解不可压流体力学方程组:与通常低速流问题区别在于闪发室内的流动存在气A液两相与自由面:文中采用液面高度法将气A液作为单相流体处理9依据为流体介质密度的差别对不可压缩流体的连续方程没有任何影响9故可用流体体积的守恒来取代质量的守恒:然而9密度的影响对动量方程与 q8r方程仍然存在9求解时密度须作为已知量代入:在计算过程中9为了不使计算发散9需要注意输出单元的气体和液体不能超过输入单元的气体和液体9上风格式的离散方法只要满足 >$H条件9 即 OsX小于 sS"速度与时间步长的乘积小于网格单元宽度#就不会出现上述情况: J’t 边界条件物面处无滑移固面边界条件 O O 流 Q O O 固 "E# 自由面上 uajXavjQ W "F-# Z6 ?cuajvavjQ ZW "F]# 其中 uajQ !? ROa RSjT ROj RS[ \a "I# 入口L给定速度或压力分布w出口L给定压力分布: J’x 网格划分考虑到计算要求精度和计算速度9用正交网格划分整个装置9由于解决问题的需要9y方向上9网格控制体积数为?WW个:在z方向上9为{E个9网格间距以幂次规律分布9对高压室的节流口部位与阻流板安装区域的网格都作了加密:本文采用英国 >G=(公司的 pGD|}o>n@’@进行计算:pGD|}8 o>n是一通用的流体力学计算软件:它具有预处理网格生成程序9主程序以及后处理图形显示程序三部分9在应用时9计算的网格A时间步长的划分A边界条件的设定等均通过 poH"p03.1%~,o1!)+ {@ 地质灾害与环境保护 ?WWB年 !"#$%"$&’语言文件输入至 ()文件进行前处理*如果在计算过程中用户需要加入自己的公式*可以通过 +!,-.将其植入 /012-3程序*或者通过 /012-3调用 +45ʦ提供的函数*从而设定变量的物理性质和计算公式9 :;< 计算过程 );=;) 计算方法 >)’流场计算采用的方法是 ?@A+!B方法9 >C’在 D1E方法中用单元中流体占有的份额函数 F来跟踪自由面9自由面跟踪的准确性直接依赖于 F计算的准确性G在计算过程中*要注意计算的收敛性GF的求解是用流场的计算结果进行迭代的9 >H’湍流模型选择 IJK L模型9 >M’对流扩散项的离散采用上风格式9 );=;C 有关 +45ʦ中的 ()文件该软件提供了两种计算方法*一是编写 ()文件*另外是使用 D0界面操作9()的编写比 D0麻烦*但是它可以根据用户的需要加入求解变量公式或者调用函数*使用范围比较灵活9故文中采用编写 ()的方法*在本次计算中*涉及到很多的 ()命令* 限于篇幅*详细内容请参见用户手册9 C 计算结果分析图 C显示海水淡化装置设备某一级*在底面上布置了 M块绕流板*自由面形状位置是计算求得的* 阻流板对液面形态影响不大9进口总压为 )个大气压*饱和温度为 NOP*对应的气相压力为 Q;H)=大气压9出口压力取为 Q;COQ个大气压*本文对无阻流板与装有 M块阻流板的情况分别进行了计算*并做了比较9 图 C 多级闪发装置某级闪发段示意图 E6$;C 1#&8R"$&8&$S&#R5T"S%UR68R"$&TU"846#$8&RR6#$ V;: 计算结果图 H至图 M分别显示无阻流板与装有 M块阻流板的闪发室内的流线谱与涡量分布形态9需说明W一是图中流线谱的疏密无任何物理含义G二是由于旋度值变化的幅度很大*且集中在高压室节流口附近9 等值线的间隔随着旋度绝对值的增大而按指数规律扩大9如图 H>X’*在节流口下方有个强涡流区*其边缘处有个等值线较密的环*该处涡强趋近于零9而涡强最大的位置在环的顶部贴近节流口处*为YCQQQ 左右9 图 H>"’ 闪发室流线示意图 E6$;H>"’ +Z5T6U&85TR4&TU5[U6#&86#R4&TU"846#$74"S\ X&Z 图 H>X’ 闪发室旋度分布图 E6$;H>X’ D5ZR&] 6^S͡#86#R4&TU"846#$74"SX&Z 闪发室内的流谱包含靠左下方的涡流区9它是个顺时针旋转的强旋涡*其能量来自节流口射流的剪力*强旋涡裹挟一部分海水不断在原地旋转9由于这一区域处在自由面下方*故该区域的水始终不能汽化*从而成为一个死水区9上部区域的环流效应使下层流体转移到上层*能增加汽化效率9在两涡之间还有一部分流体经过出口直接流入下一级*这部分流体不会蒸发9图 M>"’显示在装置了阻流板后*流谱有了很大变化9涡的区域都缩小了*尤其靠近上部收缩的幅度更大*但在第三_四块阻流板之间出现一小涡区*它把从前述两区之间伸出的流线托起9通过计算表明*在下一级闪发室内*上部涡将消失*节流口的涡将几乎扩展到整个液相流动区域*从而上_下层流体形成强有力的环流9同时*原先沿闪发室下部进入下一级的流线*被托到表层自由面的位置9这两个因素对提高第二室的闪发效率都是有利的9 ‘H第 )O卷第 )期庞虹_姚征W大型海水淡化装置流场数值模拟及其优化图 !"#$%!"&$分别显示无阻流板与带 ’块阻流板时的湍流强度(阻流板使湍流强度有所下降)尤其是底面附近)这表明阻流板消耗了湍动能(然而在自由面附近)湍流动能总体似未减少)但是被均化了( 图 ’"#$ 带阻流板的闪发室流线示意图 *+,-’"#$ ./01+2340156312072+834+856312#46+8,96#:; &3/7+56563&209<&0#/= 图 ’"&$ 带阻流板的闪发室旋度分布图 *+,-’"&$ ./01+23401563>0/53?=+:385+084+856312#46+8, 96#:&3/7+56563&209<&0#/= 图 !"#$ 闪发室湍流度分布图 *+,-!"#$ ./01+2340156350//385+#2=3,/334+856312#46+8, 96#:&3/ 图 !"&$ 带阻流板的闪发室湍流度分布图 *+,-!"&$ ./01+2340156350//385+#2=3,/334+856312#46+8, 96#:&3/7+56563&209<&0#/= @ 结束语根据计算结果可得出如下结论A "B$在闪发室内存在大尺度的环流与漩涡)它们主导着闪发室内的流态)并影响闪蒸效率与流动损失( "C$在高压腔的节流口附近为高强度剪切涡的集中区域)节流口下方存在涡流死水区)而其余区域漩涡强度都较弱( "@$阻流板对流动结构影响明显)从而有可能通过合理设置阻流板来加强上下层流体的交换)提高闪蒸效率( "’$湍流运动促进表层流体的质量交换)有利于提高闪蒸效率)设置在底部的阻流板将消耗下层流体的平均动能与湍动能)也会使表层的湍动能分布趋于均匀( 对闪发室水流结构的优化既要提高闪蒸效率) 又要尽量减少流动损失)在设置阻流板时)需要兼顾这两方面(结果显示)阻流板使水流形成于有利的回流结构)但也带来较大的损失)从而应进一步研究如何优化阻流板的设置使其维持有利的回流但损失较小)可考虑对于单纯消耗能量的死水区)具有不利影响)可在节流口下斜置挡板)将死水区堵住)这样)节流口射出动能将更多地进入前方区域)再通过恰当设置阻流板使上%下流体层形成较强回流)提高闪蒸效率( 参考文献 DBE F967#/5GH)I#8=38;J/039+5Q7#>34DKE-K*2N+=L396-) BRSR)R!ABBR;B@R- DCE L+Q#5#T-*+8+53;=+113/38934+:N2#5+0801&/3#<+8,7#>34DKE-K U0:P.6Q4-)BRVW)W!ABSR;CB’- D@E X3296KY)T#/207*T)F6#8808K.)Z#2QJK-[63L\U :3560=DLE-H04\2#:04F9+385+1+9H#&0/#50/Q]3P-H\@’C!) BRW!- D’E M+96024JZ)T+/5UX-K-U0:P-.6Q4DLE-BRSB-VA’@’- D!E T+/5UX)M+96024JZ-I02N:30112N+="I^ *$:3560=10/563 =Q8#:+94011/33&0N8=#/+34DKE-KU0:P.6Q4-)BRVB)@RAC_B; CC!- DWE [0//3QL Z)L‘0248344]U)F53+8H]-aM\F\;I^ *@ZA# 56/33;=+:384+08#290:PN53/P/0,/#: 10/+890:P/344+&231207 7+561/334N/1#93bD\E-H04\2#:04H#&0/#50/Q[396-]3P- DUE-H\;BB__R;LF)BRVS- DSE M+96024JZ)T+/5UX-U#29N2#5+8,56/33;=+:384+08#21/334N/; 1#9312074+8563>+9+8+5Q014N&:3/,3=#8=3?P043=45/N95N/34 DKE-KU0:P.6Q4-BRS@)BCAC@’;C’W- DVE I3/4533,Tc)L#2#2#43<3/#X-\8d85/0=N95+0850U0:PN5#; 5+08#2*2N+=ZQ8#:+9DLE-世界图书出版公司北京公司)C___- DRE 洪方文-自由面附近运动物体流场的数值与试验研究"博士学位论文$DZE-中国船舶科学研究中心)C__B-’- _’ 地质灾害与环境保护 C__’年 !"#$%&’()#*+$)&!,*--)*.&!,&!/0$ 1$(.(/$%+$1()/&!,+$2&’$1(!+&/1*3/&#&4(/&*! 56789:;<=>?6@ABC;Q:;ZBI;]BR;I^ DFV;RWCJXRKY:MZBI;ZBI;]BR;Ia (bcdefgdh 7iLCJRSIOj:_COR;ILCKB:_RXHJ:H:XC_K:RLHJ:WCKBCCMMRSRC;SY:MXCIkIKCJm_CXIOKR;I;_RX_RMMCJC;K MJ:LKBCKJI_RKR:;IOLCKB:_XkBRSBM:SiX:;KBCJLIOCMMRSRC;SY:JSBCLRSIOLCKB:_XF stuvwexch XCIkIKCJn_CXIOKR;<^ MOIXBR;XKROOIKR:;^ jZy;iLCJRSIOXRLiOIKR:;^ MJCCnXiJMISC^ z:OiLCn:MnMOiR_ 作者简介h 庞虹E=\{|} a>女>上海理工大学动力工程学院硕士毕业>从事对海水淡化设置内的流场进行数值研究及其结构优化>现为同济大学交通运输学院交通运输规划与管理博士研究生~ =!第 ="卷第 =期庞虹#姚征h大型海水淡化装置流场数值模拟及其优化

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