多級節(jié)流孔板的設(shè)計(jì)分析與試驗(yàn)研究

王艷芝，劉 妍，高 暢

（中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司，湖北武漢 430223）

前言

多級孔板節(jié)流件應(yīng)用在AP1000 核電廠化學(xué)與容積控制系統(tǒng)（CVS）的下泄管道中，其作用是在正常工況下將壓力降到與放射性廢液系統(tǒng)(WLS)相匹配，從而達(dá)到降壓目的。從CVS 到WLS 的壓降值高達(dá)十幾兆帕以上，且節(jié)流孔板長度非常有限（小于680 mm）。國內(nèi)工程技術(shù)人員對節(jié)流孔板進(jìn)行了大量的研究[1,2,3]，但對于這種在短距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)大壓降的節(jié)流孔板設(shè)計(jì)和試驗(yàn)鮮見報(bào)道，因此，這方面的研究對多級節(jié)流孔板研制的國產(chǎn)化和工程應(yīng)用具有重要的意義。

多級節(jié)流孔板性能受孔板結(jié)構(gòu)、流體狀態(tài)等多種因素影響，只有設(shè)計(jì)合理的孔板才能降低管道運(yùn)行產(chǎn)生的振動和噪音，減少設(shè)備的損壞。否則，孔板內(nèi)可能產(chǎn)生氣蝕從而導(dǎo)致孔板損壞，嚴(yán)重時(shí)甚至影響管道或設(shè)備的安全運(yùn)行。為此，利用流體力學(xué)軟件對節(jié)流件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和分析，并搭建試驗(yàn)回路對產(chǎn)品性能進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 節(jié)流孔板的設(shè)計(jì)

多級節(jié)流孔板要實(shí)現(xiàn)短距離大壓降并不容易。一般來說，多級孔板的級數(shù)越多越易實(shí)現(xiàn)大壓降。但CVS 節(jié)流孔板受長度限制，使得級數(shù)及多級孔板級間距離不能長，這就易使級與級之間互相干擾，形成串流，從而達(dá)不到設(shè)計(jì)的壓降要求。為解決上述矛盾，合理選擇節(jié)流孔板級數(shù)和開孔結(jié)構(gòu)尺寸顯得尤為重要。

借助經(jīng)驗(yàn)公式可以初步設(shè)計(jì)孔板開孔直徑，給定孔板結(jié)構(gòu)，然后進(jìn)行Fluent計(jì)算。

借助流體力學(xué)上關(guān)于截面突擴(kuò)、突縮的局部阻力計(jì)算方法如下：

(1)截面突然擴(kuò)大

截面突然擴(kuò)大處局部阻力系數(shù)：

截面突然擴(kuò)大處局部阻力：

式中：V1——流體流過孔板后的管道平均流速。

(2)截面突然縮小

截面突然縮小處局部阻力系數(shù)：

截面突然縮小處局部阻力：

式中：V2——流體流經(jīng)孔板內(nèi)部時(shí)的孔板平均流速。

則當(dāng)流體流過孔板，孔板處的局部阻力為

在設(shè)計(jì)節(jié)流孔板時(shí)，首先依據(jù)幾何級數(shù)遞減法確定每級的壓降，并借助經(jīng)典的局部阻力計(jì)算公式，確定孔板開孔直徑的初值，具體設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 開孔直徑設(shè)計(jì)流程圖

圖1中：

ΔPdi——第i級孔板阻力設(shè)計(jì)值；

ΔPci——第i級孔板阻力經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值；

ΔPfi——第i級孔板阻力Fluent計(jì)算值。

按照上述方法，對CVS 節(jié)流孔板進(jìn)行了多種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并利用CFD 分析軟件Fluent 進(jìn)行了分析計(jì)算，最終確定采用9級節(jié)流孔板，每級孔板通過凹凸面配合。CVS節(jié)流孔板外形結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 節(jié)流件結(jié)構(gòu)圖

2 計(jì)算分析

采用Fluent對該節(jié)流件結(jié)構(gòu)的額定工況進(jìn)行了模擬計(jì)算，選取節(jié)流件的1/4 流道為計(jì)算區(qū)域，采用軟件劃分計(jì)算網(wǎng)格。為了尋求合理的網(wǎng)格規(guī)模，在正式計(jì)算前進(jìn)行了網(wǎng)格無關(guān)性考核。

計(jì)算模型采用入口壓力和出口壓力為邊界，湍流模型為2 階標(biāo)準(zhǔn)k-ε 兩方程模型[4]。動量方程、湍流動能方程、湍流動能耗散率方程均采用二階迎風(fēng)格式離散。通過計(jì)算得出靜壓分布和速度分布，圖3 為計(jì)算出的孔板靜壓分布圖。通過對靜壓分布進(jìn)行分析，表明流束緊縮斷面高速流動引起的局部壓力不低于液體溫度對應(yīng)的飽和壓力，因此在孔板內(nèi)流體不會發(fā)生氣蝕現(xiàn)象。從圖3 中可以看出：當(dāng)流體在節(jié)流件入口時(shí)靜壓最大；每經(jīng)過一級單孔板后，靜壓降低，且在前4 級壓降大，最后一級壓降最小。

圖3 孔板靜壓分布圖

節(jié)流件內(nèi)流體的速度分布如圖4所示。

圖4 孔板速度分布圖

從圖4中可以看出，流體在孔板緊縮斷面處，速度達(dá)到最大，隨后速度逐漸降低后進(jìn)入到下一級，且各級之間不存在串流現(xiàn)象，表明該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為合理。

3 試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)回路

在對節(jié)流件進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算后，必須對節(jié)流件進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，以確保設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)能滿足AP1000化容系統(tǒng)功能要求。試驗(yàn)回路如圖5所示。水箱中的純凈水經(jīng)過高壓泵升壓后，流經(jīng)試驗(yàn)段回到水箱，形成一個(gè)閉式循環(huán)。

圖5 試驗(yàn)臺架示意圖

試驗(yàn)回路中，采用試驗(yàn)段后端的調(diào)節(jié)閥進(jìn)行流量調(diào)節(jié)；利用孔板流量計(jì)監(jiān)測流量，以減少回路振動對流量測量的影響；T 型鎧裝熱電偶用于測量回路溫度；試驗(yàn)件前后均安裝有精度為0.1級的壓力變送器進(jìn)行進(jìn)出口壓力測量。儀表采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)配電器遠(yuǎn)傳到數(shù)據(jù)采集器中，采集頻率為1 Hz，采集器將數(shù)據(jù)上傳到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行顯示和存儲。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后如表1所列。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

將設(shè)計(jì)要求值與試驗(yàn)值中對應(yīng)的進(jìn)出口壓降與回路流量關(guān)系如圖6所示。節(jié)流孔板進(jìn)出口壓降計(jì)算值和試驗(yàn)值關(guān)系如圖7所示。

圖6 試驗(yàn)件進(jìn)出口壓降與回路流量關(guān)系圖

圖7 節(jié)流孔板進(jìn)出口壓降計(jì)算值和試驗(yàn)值關(guān)系圖

試驗(yàn)結(jié)果表明：在不同流量下，試驗(yàn)件進(jìn)出口壓降的測量值在設(shè)計(jì)要求的上下限內(nèi)，且趨勢一致。試驗(yàn)值與計(jì)算值趨勢一致，最大偏差約為6%。

理論上，節(jié)流件的阻力是局部阻力和摩擦阻力之和[5]。經(jīng)過計(jì)算分析，局部阻力約占99.9%的比例，而在雷諾數(shù)大于3.8×105時(shí)局部阻力應(yīng)基本不變，即節(jié)流件阻力系數(shù)隨管道雷諾數(shù)變化基本平穩(wěn)。將試驗(yàn)所得的節(jié)流件阻力系數(shù)ζ與雷諾數(shù)Re 繪制成圖，如圖8 所示。從圖8 中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，雷諾數(shù)在3.3×105～6.3×105范圍內(nèi)，節(jié)流件阻力系數(shù)波動很小，基本平穩(wěn)，與理論相符合，且平均阻力系數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求。

圖8 阻力系數(shù)與管道雷諾數(shù)的關(guān)系

4 結(jié)論

(1)本文通過CFD 和試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對AP1000化容系統(tǒng)的節(jié)流孔板進(jìn)行了研究，提出一種新的設(shè)計(jì)方法，簡化了設(shè)計(jì)過程，并搭建試驗(yàn)回路進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果表明本設(shè)計(jì)方法滿足設(shè)計(jì)要求。

(2)節(jié)流孔板設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)設(shè)計(jì)要求的總壓降和長度確定孔板的級數(shù)以及總壓降在各級孔板間的合理分配，并選擇合適的孔板孔徑。

(3)在上述的研究范圍內(nèi)，隨著雷諾數(shù)的增大，節(jié)流件的阻力系數(shù)基本不變。說明局部阻力系數(shù)在大雷諾數(shù)時(shí)只跟結(jié)構(gòu)相關(guān)，而與流動物性參數(shù)無關(guān)。