核電鼓網(wǎng)清淤設(shè)備瀝水籃設(shè)計(jì)及內(nèi)部流場(chǎng)分析

呂永生 呂磊 何鋼 李強(qiáng) 張敏 陸素君

關(guān)鍵詞：鼓形濾網(wǎng);清淤設(shè)備;瀝水籃;孔徑;內(nèi)流場(chǎng)分析

0引言

鼓形濾網(wǎng)是核電循環(huán)水系統(tǒng)的重要設(shè)備之一，能夠有效過(guò)濾冷卻水源中的海生物垃圾;但由于部分垃圾不能及時(shí)清除而長(zhǎng)期淤積在鼓網(wǎng)底部，最終影響鼓網(wǎng)的正常運(yùn)行，給核電站帶來(lái)安全隱患。因此，鼓網(wǎng)底部清淤設(shè)備是保障核電站安全運(yùn)行的重要條件。

目前，根據(jù)鼓網(wǎng)底部淤積物的特點(diǎn)，抽吸的方式較為適合;根據(jù)抽吸裝置的布置位置，抽吸方案又分為水上抽吸和水下抽吸，其中前者對(duì)泵電機(jī)的功率和泵的揚(yáng)程要求高，設(shè)備體積大、成本高;后者將整個(gè)抽吸主體置于水中，淤積物通過(guò)泵和管道進(jìn)入瀝水籃中進(jìn)行沉降，對(duì)泵電機(jī)功率要求低，具有體積小、成本低的顯著優(yōu)勢(shì)，但由于水中流場(chǎng)復(fù)雜，瀝水籃的設(shè)計(jì)顯著影響著淤積物的沉降和清淤的效率，是決定清淤設(shè)備研發(fā)成敗的關(guān)鍵難題。

隨著計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展，采用數(shù)值仿真方法可快速高效獲取流場(chǎng)特性，但由于瀝水籃的多孔結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致網(wǎng)格劃分與流場(chǎng)分析效率較低;為提高多孔結(jié)構(gòu)的計(jì)算效率，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已展開相關(guān)研究。陶洪飛等利用Fluent軟件對(duì)直沖洗網(wǎng)式過(guò)濾器進(jìn)行了流場(chǎng)的數(shù)值模擬，將濾網(wǎng)形狀做成漸縮式，提高了過(guò)濾效率;權(quán)潔等通過(guò)多孔介質(zhì)模型模擬纖維過(guò)濾器在不同工況下，濾層結(jié)構(gòu)和濾速對(duì)其過(guò)濾效果的影響;屈帥丞等利用多孔介質(zhì)模型對(duì)翅片管束進(jìn)行外流場(chǎng)分析，并將實(shí)體模型的分析結(jié)果與之比較，兩者誤差在10%以內(nèi)。

針對(duì)核電鼓網(wǎng)底部清淤設(shè)備中水下瀝水籃的設(shè)計(jì)難題，本文結(jié)合淤積物的沉降和抽吸實(shí)驗(yàn)，基于多孔介質(zhì)模型，采用實(shí)驗(yàn)與數(shù)值仿真相結(jié)合的方法對(duì)瀝水籃內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行深入分析，以實(shí)現(xiàn)淤積物的沉降和高效清淤，為瀝水籃的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供參考。

1仿真模型的建立

1.1瀝水籃的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

清淤的整體方案如圖1所示，清淤設(shè)備置于豎直通道中的水下，其主體由瀝水籃、抽吸泵和電機(jī)組成，與抽吸泵相連的抽吸管用于抽取淤積物;當(dāng)抽吸完成后，豎直通道上方的升降裝置會(huì)將清淤主體裝置和抽吸管提升至地面，為保證清淤主體上下運(yùn)行的平穩(wěn)性和可靠性，在主體裝置靠近井壁的兩側(cè)都設(shè)有減震導(dǎo)向裝置。

清淤設(shè)備中的瀝水籃采用框架式焊接結(jié)構(gòu)，四周采用角鐵作為立柱，頂部采用螺栓固定到抽吸框上，底部裝有擋板卸料閥，側(cè)面留有與抽吸泵管路連接的接口。

1.2淤積物沉降計(jì)算

瀝水籃側(cè)面的濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)淤積物的沉降具有重要影響，網(wǎng)孔過(guò)大或過(guò)小都會(huì)影響瀝水籃的流場(chǎng)性能和清淤效果。為確定瀝水籃的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，需要先分析抽吸上來(lái)的淤積物在瀝水籃中的沉降速度。鼓形濾網(wǎng)底部的淤積物主要以青口為主，屬于不規(guī)則形狀雜物，其沉降速度可以采用以下公式計(jì)算：

圖2所示為實(shí)心顆粒粒徑與沉降速度的曲線，從圖中可看出，隨著粒徑的增大，沉降速度也隨之增大，當(dāng)粒徑接近100mm時(shí)，顆粒沉降速度達(dá)到了2m/s。青口的密度和形狀與石塊具有較大差異，但其沉降的基本規(guī)律與圖2相同，即流速達(dá)到一定值時(shí)，便能在瀝水籃中實(shí)現(xiàn)沉降。

為分析泵的出口水流速度變化趨勢(shì)，給出了清水射流速度分析結(jié)果，如圖3所示，其中圖3（a）為水射流示意圖，圖3（b）為在泵出口管道離射流口不同距離上的水流速度變化曲線，其中軸線方向上速度最大，管道截面上距離軸線距離越遠(yuǎn)的位置速度較低，如距離射流口1m距離處的管道截面平均速度可降到0.18m/s?？紤]到實(shí)際抽吸過(guò)程中垃圾物的存在，同時(shí)可通過(guò)優(yōu)化連接抽吸泵與瀝水籃側(cè)面的管道走向，從而進(jìn)一步降低流速，使得實(shí)際流速衰減得更快，基本可滿足垃圾中青口的沉降速度要求。

1.3瀝水籃有限元模型的建立

1.3.1分析模型的建立與網(wǎng)格劃分

瀝水籃主要由瀝水籃框體、瀝水斗、方圓管和擋板卸料閥組成，根據(jù)清淤設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)布局，瀝水籃可以設(shè)計(jì)成方形與圓形兩種形式。采用四面體網(wǎng)格對(duì)瀝水籃進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分完成的瀝水籃有限元模型如圖4～5所示，網(wǎng)格的平均質(zhì)量達(dá)到了0.7。

在實(shí)際工作中瀝水籃要置于截面長(zhǎng)2m、寬1m。深度約為15m的水下，將外部流場(chǎng)全部建立出來(lái)難度較大，因此采用簡(jiǎn)化處理，只截取瀝水籃這一部分的外部流場(chǎng)進(jìn)行分析。鑒于多孔介質(zhì)模型在網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)中具有良好的適用性，本文同樣采用多孔介質(zhì)模型模擬濾網(wǎng)，只需建立濾網(wǎng)的外形。

1.3.2邊界條件的設(shè)置

進(jìn)口邊界條件：根據(jù)泵的流量計(jì)算，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中泵的揚(yáng)程設(shè)置為8 m，根據(jù)電機(jī)性能參數(shù)，此時(shí)泵流量為400 m3/h，出口流速為v=3.17 m/s，采用速度入口邊界條件。

出口邊界條件：由于出口的流速與壓力未知，所以出口邊界條件設(shè)為Outflow。

壁面設(shè)為無(wú)滑移邊界，多孔介質(zhì)內(nèi)外表面、內(nèi)部流場(chǎng)的外接觸表面及外部流場(chǎng)的內(nèi)接觸表面都為Interface，將外部流場(chǎng)與內(nèi)部流場(chǎng)連接起來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞。

1.4計(jì)算模型及參數(shù)的確定

清淤設(shè)備中的流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)情況通過(guò)求解N-S方程獲得，其內(nèi)部水流的流動(dòng)屬于湍流且不可壓縮，對(duì)于溫度的變化并不敏感，故不考慮能量的傳遞過(guò)程，對(duì)于網(wǎng)式過(guò)濾器的數(shù)值模擬選擇RNG K-s湍流模型的計(jì)算精度最高。瀝水籃結(jié)構(gòu)與網(wǎng)式過(guò)濾器的結(jié)構(gòu)相似，因此采用RNGK-s湍流模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，濾網(wǎng)通過(guò)多孔介質(zhì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，其主要是在動(dòng)量方程中增加了一個(gè)能代表多孔介質(zhì)對(duì)流體的阻力項(xiàng)，即動(dòng)量源項(xiàng)S，表達(dá)式如下所示：

實(shí)際工況中，一部分貝殼在經(jīng)過(guò)抽吸泵時(shí)會(huì)被抽吸泵葉片打碎，導(dǎo)致淤積物的尺寸不穩(wěn)定。為了確定瀝水籃網(wǎng)板的孔徑，做了3組青口貝殼的預(yù)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

從貝殼破碎的情況來(lái)看，有相當(dāng)一部分沒有發(fā)生破碎，且尺寸越小的占比越小，故擬采用孔徑為1mm、2mm、3mm的網(wǎng)板進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)以上公式計(jì)算瀝水籃數(shù)值模擬關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。

2仿真結(jié)果與分析

2.1不同結(jié)構(gòu)形式的瀝水籃內(nèi)流場(chǎng)分析

在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，瀝水籃的結(jié)構(gòu)形式會(huì)影響內(nèi)部流場(chǎng)的穩(wěn)定性，因此需要對(duì)兩種不同結(jié)構(gòu)形式的瀝水籃進(jìn)行數(shù)值分析，探究其內(nèi)部流場(chǎng)的變化情況。

圖7所示為兩種濾水籃水流速度云圖，從圖中可看出兩種濾水籃內(nèi)部流場(chǎng)水流速度變化規(guī)律基本相同，水流進(jìn)入瀝水籃管道后，沿豎直管道進(jìn)入第二個(gè)彎頭時(shí)，靠管道右側(cè)壁的水流流速增加，在瀝水籃右上方形成了一個(gè)漩渦區(qū)。

圖8所示為不同結(jié)構(gòu)形式瀝水籃的對(duì)稱平面壓力云圖，水流從人口進(jìn)入管路過(guò)程中會(huì)發(fā)生局部水頭損失和沿程水頭損失，彎頭處外側(cè)壓力大于內(nèi)側(cè)壓力。在方圓管接口處，管道的截面發(fā)生突變，水流離開圓形管口后逐漸擴(kuò)大，在拐角處形成兩個(gè)低壓力區(qū)。如圖9所示，圓形瀝水籃形成的低壓區(qū)較小，這是因?yàn)閳A形瀝水籃與圓管接口的拐角處是一個(gè)圓弧面，有利于水流向四周擴(kuò)散，形成的漩渦較小，低壓區(qū)也較小。

圖10所示為兩種瀝水籃在對(duì)稱面上的湍動(dòng)能分布圖。從圖10（a）可看出，方形瀝水籃內(nèi)的湍動(dòng)能主要分布在進(jìn)口管路彎頭處以及方圓管與瀝水籃接口的拐角處;從圖10（b）可看出，圓形瀝水籃內(nèi)的湍動(dòng)能主要分布在圓管與瀝水籃接口的拐角處，并且范圍比方形瀝水籃大，這是因?yàn)閳A形瀝水籃的圓弧面能更充分地與該區(qū)域水流接觸，從而產(chǎn)生較大的能量消耗和較大的水頭損失。

通過(guò)對(duì)相同工況下的方形瀝水籃和圓形瀝水籃內(nèi)流場(chǎng)分析可知，圓形瀝水籃內(nèi)部壓強(qiáng)分布均勻，但其均值大于方形瀝水籃;方形瀝水籃低速區(qū)域比圓形瀝水籃大，泄壓性能更好，抽取的淤積物更容易沉降，綜合考慮采用方形結(jié)構(gòu)瀝水籃設(shè)計(jì)方案。

2.2濾網(wǎng)孔徑對(duì)瀝水籃內(nèi)部流場(chǎng)的影響

為了探究瀝水籃網(wǎng)板孔徑對(duì)其內(nèi)部流場(chǎng)的影響，分別對(duì)網(wǎng)孔直徑為1mm、2mm、3mm的瀝水籃內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值分析，圖11所示為3種不同孔徑的瀝水籃過(guò)濾清水時(shí)的水流速度分布云圖。通過(guò)對(duì)比分析可知：在不同直徑網(wǎng)孔過(guò)濾作用下，瀝水籃內(nèi)部速度場(chǎng)的分布規(guī)律基本相似。由于水下環(huán)境壓差的作用，射人瀝水籃中的水流從瀝水籃上方網(wǎng)板流出;若瀝水籃的網(wǎng)板孔徑越小，從上方流出的水流遇到的阻力就越大，水流進(jìn)入瀝水籃中的方向就會(huì)發(fā)生改變。當(dāng)網(wǎng)孔直徑為1mm時(shí)，水流基本上沿著水平方向射入瀝水籃中;當(dāng)網(wǎng)孔直徑為2mm時(shí)，進(jìn)入瀝水籃中的水流從上方網(wǎng)板的左側(cè)流出;當(dāng)網(wǎng)孔直徑為3mm時(shí)，進(jìn)入瀝水籃中的水流從上方網(wǎng)板的中間流出。

圖12所示為3種不同孔徑瀝水籃過(guò)濾清水時(shí)的壓力分布情況，由圖中可以看到網(wǎng)孔直徑為1mm與2mm的瀝水籃內(nèi)部壓強(qiáng)場(chǎng)的分布規(guī)律相似，壓強(qiáng)值相差較小。網(wǎng)孔直徑為3mm的瀝水籃內(nèi)部最大壓強(qiáng)高于網(wǎng)孔直徑為1mm與2mm的瀝水籃。網(wǎng)板的孔徑越大，其外部水流壓強(qiáng)場(chǎng)的分布越均勻;網(wǎng)孔越小，管路中的水進(jìn)入瀝水籃后難以流出，外部流場(chǎng)中的水難以進(jìn)入，內(nèi)外壓差越大。

圖13所示為3種工況下瀝水籃對(duì)稱面上的湍動(dòng)能分布云圖，通過(guò)對(duì)比分析可知：網(wǎng)板的孔徑越大，其內(nèi)部流體的湍動(dòng)能越穩(wěn)定。

通過(guò)對(duì)3種不同孔徑的瀝水籃內(nèi)流場(chǎng)分析比較可以看出，網(wǎng)孔的孔徑越大其內(nèi)流場(chǎng)壓力分布越均勻，這與實(shí)際情況相符，說(shuō)明分析結(jié)果正確。當(dāng)網(wǎng)孔直徑為1mm時(shí)，水流進(jìn)入內(nèi)部后壓強(qiáng)明顯上升，且高壓區(qū)主要分布在瀝水籃的頂部和底部，其內(nèi)部產(chǎn)生了堵塞現(xiàn)象，因此網(wǎng)孔直徑為1mm的網(wǎng)板不適用。網(wǎng)孔越大內(nèi)外壓差越小，更適合清淤設(shè)備的運(yùn)行，但是網(wǎng)孔直徑過(guò)大又會(huì)影響清淤設(shè)備的清淤效率，網(wǎng)孔直徑為2mm和3mm的瀝水籃內(nèi)流場(chǎng)的流速的變化情況基本一致，壓強(qiáng)也相差不大，綜合考慮采用網(wǎng)孔直徑為2mm的網(wǎng)板。

3結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)多孔介質(zhì)模型對(duì)瀝水籃進(jìn)行簡(jiǎn)化，采用實(shí)驗(yàn)與數(shù)值仿真相結(jié)合的方法對(duì)不同形式和不同孔徑的瀝水籃內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行深入分析，得出如下結(jié)論。

（1）青口要在瀝水籃中高效沉降，主要取決于青口的沉降速度和青口抽吸時(shí)的水流速度，而射入瀝水籃的水流速度越小，越有助于青口的沉降。

（2）根據(jù)青口抽吸實(shí)驗(yàn)，得到了抽吸完成后青口的破碎情況，以破碎青口的最小尺寸為參考，推算出瀝水籃的孔徑設(shè)計(jì)范圍，同時(shí)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出不同孔徑下瀝水籃數(shù)值模擬的關(guān)鍵參數(shù)。

（3）方形瀝水籃內(nèi)部水流速度低于圓形瀝水籃，使得抽吸的淤積物更易于沉降，且泄壓性能也比圓形瀝水籃好。

（4）網(wǎng)板孔徑越小，越容易在瀝水籃的內(nèi)部產(chǎn)生堵塞，孔徑越大，網(wǎng)板兩側(cè)壓差越小，清淤效果也越差，綜合考慮，最終選取瀝水籃網(wǎng)板孔徑為2mm。

本研究后續(xù)將進(jìn)一步對(duì)瀝水籃進(jìn)行改進(jìn)，使其適用性更強(qiáng)，可以更好地收集抽吸上來(lái)的各種淤積物。