冷凝器旁路排放箱小孔單元流動機理數(shù)值分析

(中國艦船研究設(shè)計中心，武漢 430064)

冷凝器旁路排放箱是用于調(diào)節(jié)蒸汽壓力、溫度、降低高壓、高速蒸汽所產(chǎn)生的劇烈振動與噪聲重要裝置，是船舶動力機組中主蒸汽排放系統(tǒng)必不可少的安全保障設(shè)備[1-2]。有學(xué)者采用RELAP5程序建立核動力裝置二回路汽輪機、冷凝器、給水泵、旁路排放箱等主要部件的物理模型，應(yīng)用集總參數(shù)法分析了系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時壓力、溫度變化[3]。有學(xué)者采用實驗方法研究旁通回收裝置與蓄熱器系統(tǒng)的運行匹配特性，結(jié)果表明低負荷下的動態(tài)特性要優(yōu)于高負荷下的動態(tài)特性[4]。

為了解旁路排放箱的總體參數(shù)及流動特性，首先應(yīng)對小孔型旁路排放箱的節(jié)流孔的流動機理有準確的了解，并確定數(shù)值模擬所選擇的參數(shù)。為此，考慮采用數(shù)值模擬分析方法，首先針對真實旁路排放箱建立單孔模型，對單孔內(nèi)流動進行模擬分析，分析小孔內(nèi)超音速流動機理。

1 計算模型及邊界條件

1.1 節(jié)流小孔計算模型及網(wǎng)格

冷凝器旁路排放箱分四級，各級進口壓力分別為2.5、1.2、0.6和0.18 MPa。每一級的模型均以直徑80 mm、長30 mm的圓柱形腔為入口腔，蒸汽不同孔徑或不同孔長的小孔，孔后均以一直徑80 mm、長300 mm的圓柱形腔為出口腔(以保證從小孔出口噴射出的流體束在腔體內(nèi)，流體到達腔體出口附近時流體速度足夠小)，建立正對小孔典型計算模型，見圖1。其中第一級小孔孔徑為6 mm，孔長為12 mm；第二、三級小孔孔徑為6 mm，孔長為10 mm；第四級小孔孔徑為8 mm，孔長為8 mm。計算模型采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，見圖2。模擬結(jié)果表明下腔體尺寸相對小孔已充分大，不影響小孔處流動特性，符合簡化要求。

圖1 正對小孔典型計算模型

圖2 小孔節(jié)流計算網(wǎng)格

1.2 計算邊界條件

采用水蒸氣作為計算工質(zhì)，由于小孔內(nèi)流動為超音速流動，所以選用SST模型，平均y+值為個位數(shù)的網(wǎng)格模型來進行數(shù)值模擬。蒸汽參數(shù)選用進口處溫度，壓力下水蒸氣的參數(shù)為基準點；傳熱模型選擇全熱模型，差分格式選擇High resolution。計算殘差精度設(shè)置為1×10-4，同時監(jiān)測小孔中心點的馬赫(Ma)數(shù)，以查看計算是否達到穩(wěn)定。綜合考慮計算精度和周期，采用小孔內(nèi)部與鄰近區(qū)域網(wǎng)格長寬比為1∶1、網(wǎng)格總數(shù)39萬的網(wǎng)格模型作為后續(xù)小孔節(jié)流各種工況模擬的基礎(chǔ)。選取第一級模型計算結(jié)果進行分析。保持進口總壓不變，通過調(diào)整出口靜壓來模擬不同工況，分析得到不同膨脹比下小孔的流動特性，工況見表1。

表1 正對小孔典型模型第一級排放計算工況

2 計算結(jié)果分析

選取第一級的計算結(jié)果分析不同出口靜壓對小孔的流量、Ma數(shù)、流線及溫度的影響，再分析不同排放等級流量對總壓損失的影響規(guī)律。

2.1 出口靜壓對最大Ma數(shù)和流量的影響

不同出口靜壓條件下小孔中間截面上的最大Ma數(shù)和流量的變化見圖3。

圖3 不同出口靜壓下正對小孔中間截面上的最大Ma數(shù)和流量的變化

從圖3可見，隨著出口靜壓從1.8 MPa逐漸降低(即膨脹比降低)，最大Ma數(shù)和流量是同時增加的。當(dāng)出口靜壓為1.3 MPa時，若膨脹比繼續(xù)減小，流量已基本保持不變，說明此臨界膨脹比(0.52)下流量達到了極限流量。此臨界膨脹比下所對應(yīng)的小孔流量為0.078 943 6 kg/s，對應(yīng)的最大Ma數(shù)為1.476 89；當(dāng)出口靜壓進一步降低至0.9 MPa時，最大Ma數(shù)基本不變。但再繼續(xù)降低膨脹比，由于最大Ma數(shù)區(qū)已出現(xiàn)在小孔外，因此這些工況的計算結(jié)果與前面幾種不同出口靜壓流動中的最大Ma數(shù)相差較大。不同出口靜壓下小孔中間截面上的Ma等值線見圖4。

圖4 不同出口靜壓下正對小孔中間截面上Ma數(shù)分布

由圖4可見：在出口靜壓較小時，最大Ma數(shù)數(shù)值很高，且隨著出口靜壓的逐漸升高，最大Ma數(shù)數(shù)值逐漸減小，直至低于1.0。當(dāng)出口靜壓從0.6～0.8 MPa變化時，碗型高Ma數(shù)區(qū)逐漸變大，等Ma數(shù)線層次變少，變化稍緩；當(dāng)出口靜壓從0.9～1.3 MPa變化時，碗型最大Ma數(shù)區(qū)尺寸大致相同，只是小孔內(nèi)其他部位的Ma數(shù)不一致；繼續(xù)增大出口靜壓，最大Ma數(shù)區(qū)尺寸緩慢變小，最終碗型最大Ma數(shù)區(qū)消失(此時出口靜壓為1.7 MPa)。

還發(fā)現(xiàn)在出口靜壓(0.6、0.7、0.8 MPa)較低時，最大Ma數(shù)區(qū)在小孔出口外，且最大Ma數(shù)數(shù)值變化很大，孔內(nèi)Ma數(shù)很高，也即流體速度很高，12 mm長孔不足以大幅降低其速度、壓力和溫度，需要在孔外繼續(xù)膨脹降壓；當(dāng)逐漸升高出口靜壓(0.9、1.0、1.1、1.2、1.3 MPa)，最大Ma數(shù)區(qū)逐漸向孔內(nèi)移動，范圍很大，且最大Ma數(shù)數(shù)值穩(wěn)定，均為1.477。此時因為進口流量均已達到極限流量，進口激波不足以大幅降低蒸汽速度、壓力和溫度，小孔內(nèi)出現(xiàn)起始于小孔壁的激波(0.9 MPa時孔壁激波最強，1.3 MPa時孔壁激波最弱)，在孔中部交叉，形成新的最大Ma數(shù)區(qū)；繼續(xù)增大出口靜壓，最大Ma數(shù)區(qū)越來越靠近小孔進口，激波強度較低，最大Ma數(shù)數(shù)值不斷降低。在1.8 MPa時，小孔的進口激波沒有交叉，形成高馬赫數(shù)區(qū)。

綜上所述，當(dāng)出口靜壓為1.3 MPa時達到極限流量，此時臨界膨脹比為0.52。水蒸氣的臨界壓比為0.57，這說明模擬結(jié)果與理論基本相符。將小孔看做是一個縮放噴管，那么當(dāng)膨脹比繼續(xù)降低時，出口靜壓的變化不再影響小孔內(nèi)的流動特性。因此低于臨界膨脹比0.52的工況中，其流量基本不變，高壓氣體在孔外繼續(xù)膨脹增速。

2.2 出口靜壓對喉部的影響

第一級模型中，不同出口靜壓下孔中間截面流線分布見圖5。

由圖5可見，在小孔進口邊沿形成了一個小旋渦，這是小孔進口邊沿附近由于流動突然彎折導(dǎo)致的分離區(qū)，分離區(qū)使流體受壓形成一個類似縮放噴管的喉部。當(dāng)出口靜壓力為0.6～1.3 MPa時，旋渦的大小基本不變(長約1.2 mm，寬約0.1 mm)；當(dāng)出口靜壓為1.4～1.8 MPa時，孔壁旋渦隨出口靜壓升高而變長變寬，旋渦顯著變大，發(fā)現(xiàn)旋渦的變化與流量的變化相對應(yīng)；當(dāng)達到極限流量時，沿壁面附近的流動再附很快，旋渦尺寸較小，相當(dāng)于喉部提前，當(dāng)出口靜壓進一步升高時，即流量減小時，壁面附近的主要流動發(fā)生在孔下部，從而導(dǎo)致旋渦尺寸增大，這相當(dāng)于喉部下移。因此，喉部尺寸大小與小孔的流量有關(guān)。

圖5 第一級模型中不同出口靜壓下正對小孔中間截面上流線分布

2.3 出口靜壓對溫度分布的影響

第一級流動中小孔內(nèi)溫度分布見圖6。

圖6 正對小孔典型模型孔內(nèi)溫度分布

從圖6可以看出：溫度分布的形狀和規(guī)律和Ma數(shù)的分布有密切聯(lián)系。低溫區(qū)和最高Ma數(shù)區(qū)相對應(yīng)，而且Ma數(shù)越大溫度越低；隨著出口靜壓的升高，小孔超音速排放的降溫效果越差，進出口溫差不斷減小，低溫區(qū)逐漸向孔內(nèi)移動，最后低溫區(qū)隨著激波的消失而消失。從空氣動力學(xué)的角度來分析，當(dāng)氣體總溫一定時，速度越大，靜溫越低，即降溫效果與Ma數(shù)正相關(guān)。

2.4 流量對總壓損失的影響

旁路排放箱在實際運行事故工況下需要有機動排放功能，還要參與一回路負荷調(diào)節(jié)，連續(xù)工作，因此有必要對非額定工況流量進行分析。小孔在不同流量下最大Ma數(shù)和進口總壓與出口靜壓之比見圖7、8。

圖7 小孔模型各級不同流量工況下的最大Ma數(shù)

圖8 小孔模型各級不同流量工況下的出口總壓與進口總壓之比

由圖7、8可見，隨著流量減小，Ma數(shù)明顯減小，而出口總壓與進口總壓之比則明顯增大。說明流量減小使得氣體流速減小，總壓損失明顯減小，排放壓力增大。不同級時，流量百分數(shù)相同時最大Ma數(shù)和出口總壓與進口總壓之比值基本相同，僅在100%流量時差別稍大，這是因為額定工況下各級流動中的出口總壓與進口總壓之比不同。說明各級流動和總壓損失隨流量的變化規(guī)律基本相同。

3 結(jié)論

1)隨著出口靜壓減小，進出口膨脹比降低，最大Ma數(shù)和流量同時增加；當(dāng)進出口膨脹比在0.5左右時，流量達到極限流量。

2)只要在單孔內(nèi)高Ma數(shù)區(qū)穩(wěn)定，也即達到極限流量后，喉部尺寸基本不變。

3)小孔超音速排放的降溫效果與Ma數(shù)正相關(guān)，也即Ma越大，進出口溫差越大。與流量類似，也存在臨界膨脹比。

4)隨著流量減小，Ma數(shù)明顯減小，出口總壓與進口總壓之比明顯增大，即總壓損失明顯減小。

5)小孔模型采用數(shù)值計算方法所得到的結(jié)果，包括進出口邊界條件、湍流模型、差分格式、網(wǎng)格精度等可為下一步數(shù)值研究全三維旁路排放箱流動特性提供參考。