局部汽化對(duì)多級(jí)節(jié)流孔板阻力影響的數(shù)值模擬研究

王永

摘 要：文章使用FLUENT汽穴模型和單相流模型對(duì)多級(jí)節(jié)流孔板在不同入口速度時(shí)的壓降進(jìn)行了數(shù)值模擬，獲得了不同入口速度時(shí)多級(jí)節(jié)流孔板的汽化位置和汽化程度以及局部汽化時(shí)多級(jí)節(jié)流孔板的阻力，并將汽穴模型分析結(jié)果與單相流模型分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得到由于汽化引起多級(jí)節(jié)流孔板阻力增大的程度，為多級(jí)節(jié)流孔板設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：多級(jí)節(jié)流孔板；汽穴模型；數(shù)值模擬

前言

多級(jí)節(jié)流孔板由于結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定，廣泛用于核動(dòng)力裝置的回路系統(tǒng)（如：化容系統(tǒng)、安全殼噴淋系統(tǒng)、蒸發(fā)器排污系統(tǒng)等）中來增加回路阻力，限制管道流速。影響多級(jí)孔板阻力特性的因素中除了多級(jí)孔板的幾何結(jié)構(gòu)（如：級(jí)數(shù)、各級(jí)孔板孔徑比、各級(jí)孔間距等）外，還與流體在多級(jí)孔板內(nèi)部的狀態(tài)有關(guān)。這是由于流體（液相）流經(jīng) 節(jié)流孔板時(shí)會(huì)導(dǎo)致局部壓力低于流體的飽和蒸汽壓力，流體會(huì)在低壓處汽化進(jìn)而引起汽蝕，使得多級(jí)孔板的阻力特性與單相流動(dòng)的特性偏離，影響核動(dòng)力裝置的安全運(yùn)行。

為避免發(fā)生汽蝕，多級(jí)孔板設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)考慮各級(jí)壓降的比例（一般按照幾何級(jí)數(shù)遞減的方法，即第2級(jí)壓降是第1級(jí)壓降的1/2，以此類推），但是這并不能保證多級(jí)節(jié)流孔板中不發(fā)生局部的液體汽化。文獻(xiàn)中已經(jīng)有學(xué)者報(bào)道，使用CFD數(shù)值模擬的方法設(shè)計(jì)多級(jí)節(jié)流孔板，使得多級(jí)節(jié)流孔板壓降分布更為合理[1]，[2]。但是僅對(duì)單相流動(dòng)進(jìn)行了分析研究，沒有研究發(fā)生局部汽化時(shí)多級(jí)節(jié)流孔板的阻力。文章在使用FLUENT多相流動(dòng)的混合模型基礎(chǔ)上，選擇Zwart-Gerber-Belamri氣穴模型對(duì)多級(jí)孔板局部發(fā)生局部汽化時(shí)阻力分析研究，獲得了局部汽化時(shí)多級(jí)節(jié)流孔板的阻力，并與單相流動(dòng)模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，可為多級(jí)孔板的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 幾何模型與網(wǎng)格劃分

圖1為分析研究的多級(jí)節(jié)流孔板幾何結(jié)構(gòu)。由左向右兩級(jí)布置，第2級(jí)孔略大于第1級(jí)孔。

圖1 計(jì)算幾何結(jié)構(gòu)

為簡化計(jì)算，采用1/4模型。截面設(shè)置為對(duì)稱邊界條件，網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分

2 數(shù)學(xué)模型

使用FLUENT混合模型模擬流體在多級(jí)節(jié)流孔板汽化時(shí)汽液兩相流動(dòng)，混合模型基本控制方程文獻(xiàn)報(bào)道的比較多，這里不再贅述。重點(diǎn)介紹由于壓力變化導(dǎo)致汽液兩相的質(zhì)量傳輸方程。

3 邊界條件與計(jì)算工況

3.1 邊界條件

入口給定速度邊界條件，出口為壓力邊界，設(shè)為101325Pa（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）；選擇50℃水為計(jì)算工質(zhì)，對(duì)應(yīng)飽和蒸汽壓為12351Pa，即當(dāng)多級(jí)節(jié)流孔板內(nèi)局部壓力小于或等于該壓力時(shí)，該處水將發(fā)生汽化。

3.2 計(jì)算工況

分別對(duì)表1中的工況進(jìn)行了分析計(jì)算。

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 入口速度為4.0m/s計(jì)算結(jié)果

從多級(jí)節(jié)流孔板空泡分布云圖可以得出：入口速度為4.0m/s時(shí)，多級(jí)節(jié)流孔板已經(jīng)汽化，汽化位置為兩級(jí)的孔壁處。汽穴模型和單相流模型速度分布云圖和壓力分布云圖可以得出：由于局部汽化的影響，汽穴模型計(jì)算最高速度高于單相流模型計(jì)算結(jié)果，阻力也大于單相流模型計(jì)算結(jié)果。多級(jí)節(jié)流孔板內(nèi)發(fā)生局部汽化后，汽泡的存在會(huì)阻礙流體流動(dòng)，使得流體阻力大于單相流時(shí)的阻力。

4.2 不同入口速度時(shí)，多級(jí)節(jié)流孔板汽化程度

從不同入口速度時(shí)，多級(jí)節(jié)流孔板汽泡分布云圖可知：多級(jí)節(jié)流孔板在入口速度為1.2m/s時(shí)未發(fā)生汽化；在2.0m/s第1級(jí)孔處開始發(fā)生汽化；3.2m/s、4.0m/s和4.8m/s時(shí)兩級(jí)孔處均發(fā)生了汽化而且隨著入口速度的增加汽化面積逐漸變大。

4.3 不同入口速度時(shí)，多級(jí)節(jié)流孔板阻力

從多級(jí)節(jié)流孔板阻力隨入口速度變化曲線可知：入口速度為1.2m/s時(shí)，由于多級(jí)節(jié)流孔板未發(fā)生汽化現(xiàn)象，單相流模型和汽穴模型計(jì)算結(jié)果接近。當(dāng)入口速度大于2.0m/s后，汽穴模型計(jì)算結(jié)果均大于單相流模型計(jì)算結(jié)果，且隨著入口速度的增加，偏離程度逐漸變大，入口速度為4.8m/s時(shí)偏差為21%。

從多級(jí)節(jié)流孔板阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)變化曲線可知：由于計(jì)算的五種工況雷諾數(shù)最小為5×104，單相流模型計(jì)算得到的阻力系數(shù)不再隨著雷諾數(shù)的變化而變化。由于隨著多級(jí)節(jié)流孔板入口速度的增加，汽化面積逐漸變大，汽穴模型計(jì)算得到阻力系數(shù)隨著入口速度的增大而增大。

5 結(jié)束語

使用FLUENT汽穴模型和單相流模型對(duì)多級(jí)節(jié)流孔板阻力進(jìn)行了分析研究，得到主要結(jié)論如下：

（1）當(dāng)入口速度超過2.0m/s時(shí)，模擬的多級(jí)節(jié)流孔板內(nèi)發(fā)生了局部汽化，隨著入口速度的增大，汽化區(qū)域面積逐漸增大。

（2）多級(jí)節(jié)流孔板內(nèi)發(fā)生局部汽化后，汽泡的存在會(huì)阻礙流體流動(dòng)，使得流體阻力大于單相流時(shí)的阻力。

（3）隨著入口速度的增加，汽化區(qū)域面積逐漸增大，兩種模型計(jì)算結(jié)果偏離程度逐漸變大，最大偏差為21%。

（4）隨著入口速度的增加，汽化區(qū)域面積逐漸變大，汽穴模型計(jì)算得到阻力系數(shù)隨著雷諾數(shù)的增大而增大。

參考文獻(xiàn)

[1]張毅雄，等.多級(jí)節(jié)流孔板在核級(jí)管道中的應(yīng)用.核動(dòng)力工程[J].2009，30（4）：71-74.

[2]劉萬龍，等.小孔徑多級(jí)孔板組件節(jié)流效應(yīng)仿真[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，37（2）：241-244.