第
29
卷第
6
期
2002
年
北京化工大学学报
Vo
l.
29
,
No.6
2002
JOURNAL
OF
BEUING
UNlVERSITY
OF
CHEMICAL
TECHNOLOGY
大型海水淡化装置流场数值模拟及其优化
庞虹姚征
(上海理工大学动力工程学院，上海
200093)
摘
要
z
以往对提高海水淡化装置特别是多级间发装置
(MultiStage
Flash
MSF)
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。本文利用计
算流体力学软件
Phoenics
采用数值方法模拟闪发式海水淡化装置内的水流特性，并分析闪发室内阻流板的设置对
水流的揣流度与流动损失的影响，从而为间发室的设计提供合理的依据。
关键词
E
海水淡化;间发
(MSF);
数值模拟;自由面;流体体积法
(VOF)
中图分类号:
TK223.51
缺水是世界各国普遍面临的问题，近年来更是
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。解决这一问题可以利用海水
淡化技术，该技术已在
120
多个国家得到利用，其中
绝大部分是利用热电联产海水淡化技术，因此，多级
闪蒸仍为主流。在现有对设备的分析中，较多的是
对装置本身的分析，或者是对传热以及注重分析蒸
发的热交换过程，如何提高热效率等，而缺乏对装置
中的流场进行数值模拟，从流体力学的角度出发，得
到有关流场的信息，讨论影响提高蒸发效率的因素，
从而得到对实践应用有指导意义的流体力学理论根
据。从计算流体力学角度看来，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。自由面问
题以往曾采用势函数求解
[1]
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
(MAC)[2]
，表
面折线法
[3]
等，以及只属于欧拉法范畴的流体体积
法
(VOF)[4
，
5]
与液面高度法
(HOL)
[6]
等。在目前采
用的方法中，液面高度法最为简便，但受限制也较
多，不能适应自由面复杂的情况。在卧式闪发设备
中，水流速度低，水自由面较平缓，所以可以用这个
方法计算。本文基于这一实际应用的需要，一方面，
通过流场计算，讨论如何提高海水的揣流度，即由于
过热水在闪蒸时吸收了热量而降低了表层水流的过
热度，因此需要增大水流上下层的交换，采用在海水
高压腔出口前加置障碍板，达到提高海水揣流度以
收稿臼期:
2002-09-09
基金项目:上海市科委资助项目
(002312032)
第一作者:女，
1976
年生，硕士生
及促进交换的目的。另一方面，还将跟踪自由面，分
析如何增加海水与空气的接触面积，以此增加海水
蒸发量，提高闪发效率。在这个过程中，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
Phoenics
计算在海水中尤其是在液面附近的揣流强
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。
1
计算方法
1.
1
海水淡化过程
图
1
为海水淡化装置的三级闪发段示意图，右
下脚小孔为下一级闪发室进口。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，产生水蒸气
后在低温海水管道附近液化，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雄度海水沿低温海水
管道流出。显然，闪发室的设计是闪蒸效率的关键。
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。在
闪发室内普遍采用阻流板来增强热交换。但是计算
结果表明，导致上下流层交换的主要因素是存在于
水流中的大尺度回流与游涡，阻流板的作用在于改
变这种回流与糠涡的结构。阻流板的作用是增加回
流，但也会增加阻力降，同时降低揣流度。然而在海
水淡化装置中，海水逐级向前流动过程中并无能量
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