三维空间液滴运动模型数值解法研究

张 璜，薄涵亮

(清华大学 核能与新能源技术研究院，北京 100084)

液滴运动现象广泛存在于各种核能动力装置中。例如，蒸汽发生器内的汽水分离装置中就存在大量液滴运动。汽水分离装置的作用是将蒸汽发生器产生的湿蒸汽流进行干燥。欧美各国规定经汽水分离器干燥后的蒸汽湿度要小于0.25%，否则高速蒸汽流夹带着这些液滴会造成二回路管道、关闭件腐蚀，以及汽轮机的汽蚀，影响汽轮机寿命。因此，汽水分离装置的分离效率关系到核电系统运行的经济性和安全性。

常见的汽水分离装置有旋叶式分离器、重力式分离器和波形板式分离器，它们内部的液滴在蒸汽场中运动，流出或被分离器捕获。通过建立汽水分离器内液滴运动模型并对其进行求解，可得到液滴在分离器内部的运动轨迹和数目分布，进而能较为细致地研究分离器对液滴的分离机理，从而为设计高性能的汽水分离器提供理论依据。

不同学者采用的液滴运动模型虽不同，但该模型均可表述为1组一阶常微分方程。由于该组常微分方程通常无解析解，所以一般采用数值方法对其进行求解。庞凤阁等[1]采用高阶方程的Runge-Kutta(RK)算法对波形板内的液滴运动模型进行求解，得到了直径为7～10 μm的液滴运动轨迹。陈韶华等[2-3]采用定(单)步长的RK算法求解液滴运动模型，对重力分离空间内直径为0～350 μm的液滴和波形板分离器内直径为10.5～12.5 μm的液滴的运动行为均作了研究。王晓墨等[4]采用向前Euler算法求解液滴运动模型，得到了直径为10、20和900 μm的液滴在波形板内的运动轨迹。……