基于VOF方法的穩(wěn)壓器用單螺旋噴霧頭性能優(yōu)化

劉 威 成 翔 王宇陽 余紀(jì)成 蘇 桐

（中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都610041）

0 引言

在壓水堆一回路系統(tǒng)中，穩(wěn)壓器噴霧頭位于穩(wěn)壓器內(nèi)部蒸汽空間，通過噴射霧化的過冷水，抵償、衰減系統(tǒng)壓力正波動(dòng)，它的霧化性能直接決定了其緩解系統(tǒng)壓力正波動(dòng)的能力。穩(wěn)壓器噴霧頭通常在較小的驅(qū)動(dòng)壓差（0.2 MPa左右）下工作，具有低壓差、大流量的特點(diǎn)，一般采用離心式噴霧頭，常見形式有螺旋式與葉片式。

以往對(duì)噴霧頭霧化特性的研究主要建立在經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，由于霧化過程的復(fù)雜性，目前霧化理論研究尚不成熟，無法直接用于各種類型噴霧頭霧化特性的理論計(jì)算。離心式噴嘴也常用在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等設(shè)備中，隨著近代流體力學(xué)的發(fā)展，該領(lǐng)域的學(xué)者利用兩相流數(shù)值計(jì)算方法對(duì)離心式噴嘴進(jìn)行了更為深入的研究，其中，兩相界面追蹤流體體積（Volume of Fluid，VOF）方法應(yīng)用最廣，常被用于模擬噴嘴射流破碎及預(yù)測(cè)噴嘴霧化錐角等[1-6]。

為設(shè)計(jì)一種冷態(tài)額定流量30 t/h的穩(wěn)壓器大流量單螺旋式噴霧頭（結(jié)構(gòu)形式見圖1），在開展相應(yīng)的冷態(tài)試驗(yàn)前，需對(duì)設(shè)計(jì)的噴霧頭進(jìn)行性能預(yù)測(cè)以評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)合理性。因此，本文利用VOF方法，在驗(yàn)證數(shù)值方法及模型適用性的基礎(chǔ)上，研究關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)進(jìn)出口壓降、噴霧錐角、噴霧均勻度的影響，最終確定合適的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

圖1 單螺旋式噴霧頭

1 數(shù)值方法及試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)前期設(shè)計(jì)的小流量單螺旋噴霧頭進(jìn)行數(shù)值模擬，并利用已有試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行驗(yàn)證。由于數(shù)值模擬較難精確模擬噴霧水的破碎霧化過程，因此僅通過對(duì)噴霧頭內(nèi)部流動(dòng)及靠近噴嘴的有限外流場(chǎng)區(qū)域中的射流行為進(jìn)行模擬，來預(yù)測(cè)噴霧頭的有關(guān)性能。

1.1 數(shù)值方法

1.1.1 數(shù)學(xué)模型

在兩相流模型中，目前最為完善可靠的模型是兩流體模型，其中VOF模型最為適合模擬流體射流破碎和追蹤氣液交界面[7]。湍流模型選用RNG k-模型，該模型可以更好地處理高應(yīng)變率及流線彎曲程度較大的流動(dòng)。

1.1.2 網(wǎng)格模型及邊界條件

圖2給出了噴霧頭的計(jì)算網(wǎng)格模型。取空氣為第一相，水為第二相。入口采用速度入口，給定入口流量，水體積分?jǐn)?shù)設(shè)置為1。出口為外流場(chǎng)域邊界，采用Opening邊界條件，相對(duì)壓力為0 MPa，水的體積分?jǐn)?shù)設(shè)置為0。壁面條件設(shè)置為無滑移粗糙壁面。

圖2 噴霧頭網(wǎng)格模型及邊界設(shè)置

1.1.3 典型計(jì)算結(jié)果分析

圖3給出了噴霧頭剖面上的壓力分布云圖，額定流量下進(jìn)出口壓降計(jì)算值為0.241 MPa。

圖3 噴霧頭剖面壓力云圖

圖4 a給出了剖面上的氣液兩相分布。噴霧錐外側(cè)顯示出明顯分界面，但分界面處水體積占到20%左右。綜合考慮網(wǎng)格大小及霧化顆粒尺度，定義水體積份額1%～5%為噴霧錐邊界，如圖4b所示，該邊界較窄，可據(jù)此測(cè)定噴霧頭的噴霧錐角值為92°。

圖4 水體積份額云圖及霧化錐角的確定

1.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

前期設(shè)計(jì)的小流量單螺旋噴霧頭已開展了冷態(tài)噴霧特性試驗(yàn)，利用其已有試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)上述數(shù)值方法進(jìn)行驗(yàn)證。

1.2.1 流量特性計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證

試驗(yàn)在額定流量（11.7 t/h）的75%、80%、100%、120%、125%下測(cè)定噴霧頭對(duì)應(yīng)的壓降。在數(shù)值模擬中，通過設(shè)置對(duì)應(yīng)的入口流量值，得到相應(yīng)的壓降計(jì)算值，數(shù)值模擬所得結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果均列于表1中。可以看出，模擬結(jié)果較試驗(yàn)結(jié)果偏低，誤差在10%以內(nèi)，可以較好地預(yù)測(cè)噴霧頭進(jìn)出口壓降。

表1 進(jìn)出口壓降模擬值與試驗(yàn)值比較

1.2.2 霧化錐角計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證

霧化錐角測(cè)定用于評(píng)價(jià)噴霧頭霧化液滴范圍，試驗(yàn)分別在各流量下采用照相進(jìn)行霧化錐角測(cè)定。數(shù)值模擬所得結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果均列于表2中。相比試驗(yàn)結(jié)果，模擬值均偏小，但不同流量下模擬與試驗(yàn)所得的霧化錐角具有相同的變化趨勢(shì)。

表2 霧化錐角模擬值與試驗(yàn)值比較

上述結(jié)果證明本文采用的數(shù)值計(jì)算方法和計(jì)算模型合理可行，能夠有效地預(yù)測(cè)噴霧頭的壓降及噴霧錐角。

2 大流量單螺旋噴霧頭的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為設(shè)計(jì)一種冷態(tài)額定流量達(dá)30t/h、壓降小于0.2MPa、噴霧角大于55°的大流量噴霧頭，在借鑒同類單螺旋噴霧頭及查閱相關(guān)設(shè)計(jì)資料的基礎(chǔ)上，初步確定了噴霧頭的主要結(jié)構(gòu)尺寸。在開展冷態(tài)試驗(yàn)前，采用上述數(shù)值模擬方法對(duì)噴霧頭性能進(jìn)行預(yù)測(cè)。在計(jì)算過程中，重點(diǎn)考察了噴嘴混合室導(dǎo)錐角β、內(nèi)芯螺旋升角γ對(duì)噴霧性能的影響（β和γ的定義見圖5）。

圖5 混合室導(dǎo)錐角β與內(nèi)芯螺旋升角γ

2.1 混合室導(dǎo)錐角對(duì)噴霧性能的影響

為研究混合室導(dǎo)錐角β對(duì)噴霧性能的影響，保持螺旋升角γ=30°不變，通過數(shù)值計(jì)算考察不同β值（30°、45°、60°、100°）對(duì)進(jìn)出口壓降、噴霧角等的影響。

圖6給出了不同β角度下噴霧頭進(jìn)出口壓降與流量的關(guān)系曲線。在額定流量下，各噴霧頭的壓降均遠(yuǎn)小于0.2 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。隨著β角的增大，進(jìn)出口壓降有所增大，即噴霧頭的流量系數(shù)減?。髁肯禂?shù)越小代表阻力損失越大）。這是因?yàn)榛旌鲜覍?dǎo)錐角增大時(shí)，螺旋流道流體與中間流道流體發(fā)生更為激烈的沖撞混合，從而使壓力損失增大。

圖6 不同混合室導(dǎo)錐角β下流量特性

表3給出了4個(gè)噴霧頭在額定流量下的霧化錐角計(jì)算值，霧化錐角隨導(dǎo)錐角增大而增大。在滿足霧化錐角不小于55°前提下，噴霧頭霧化錐角應(yīng)盡可能地小，這樣落入有效區(qū)域的液滴數(shù)量才盡可能地多，同時(shí)不會(huì)對(duì)穩(wěn)壓器內(nèi)壁造成不必要的熱沖擊。因此，混合室導(dǎo)錐β設(shè)置為45°左右較為合適。

表3 不同混合室導(dǎo)錐角β下的霧化錐角

圖7給出了導(dǎo)錐角β=60°噴霧頭的外流場(chǎng)域中，距離噴霧頭出口不同距離截面上的水體積分?jǐn)?shù)云圖?？梢钥闯觯后w噴出后會(huì)逐漸形成空心區(qū)域，這是由于出口截面各點(diǎn)切向速度的不均勻引起的，是由螺旋結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)所決定的。

圖7 距出口不同距離截面處水體積分?jǐn)?shù)

圖8 給出了混合室角度60°和45°的兩種噴霧頭距出口0.1m截面處的水體積分?jǐn)?shù)云圖?？梢钥闯觯?dāng)混合室角度減小，即混合室長度增大時(shí)，空心錐現(xiàn)象明顯改善，噴霧分布更加均勻。圖8b中心區(qū)域最大水體積分?jǐn)?shù)為0.78，而圖8a中心區(qū)域?yàn)?.99。這說明混合室角度為45°的噴霧頭，其中心部分與空氣接觸更為充分，冷卻效果也會(huì)更好。

圖8 混合室長度增加對(duì)空心錐現(xiàn)象的改善

2.2 內(nèi)芯螺旋升角對(duì)噴霧性能的影響

類似地，為得到螺旋升角γ對(duì)噴霧性能的影響，保持混合室角度β=60°不變，通過數(shù)值計(jì)算考察不同γ值（30°、45°、60°）對(duì)進(jìn)出口壓降、噴霧角等的影響，計(jì)算結(jié)果為：

（1）隨著噴霧頭的螺旋角增大，噴霧頭的流量系數(shù)明顯增大。這是當(dāng)螺旋角增大時(shí)，螺旋流道長度縮短，且噴霧頭內(nèi)流體的螺旋湍動(dòng)程度減小，這些因素均使得噴霧頭流量系數(shù)增大。

（2）螺旋升角γ為30°、45°、60°的噴霧頭霧化錐角分別為90°、76°、59°，霧化錐角隨螺旋升角γ增大而減小。

（3）過大的螺旋升角增大將導(dǎo)致噴霧水分布不均，這是因?yàn)檫^大的螺旋角不能提供足夠的離心動(dòng)能導(dǎo)致噴霧集中所致。因此，在進(jìn)出口壓降和霧化錐角滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，應(yīng)選擇小螺旋升角以保證足夠的離心動(dòng)能和均勻的噴霧效果。

3 結(jié)論

采用VOF方法對(duì)穩(wěn)壓器用單螺旋噴嘴內(nèi)部流動(dòng)及近場(chǎng)噴射情況進(jìn)行了模擬，利用已有試驗(yàn)結(jié)果對(duì)數(shù)值方法及模型進(jìn)行驗(yàn)證。并針對(duì)一種新型大流量噴霧頭結(jié)構(gòu)開展性能預(yù)測(cè)及結(jié)構(gòu)參數(shù)，得到以下結(jié)論：

（1）數(shù)值模擬能夠較為準(zhǔn)確地計(jì)算單螺旋噴霧頭的進(jìn)出口壓降，并且通過VOF方法捕捉氣液交界面，能夠較為方便準(zhǔn)確地得到噴霧頭的霧化錐角；

（2）當(dāng)噴霧頭混合室錐角減小時(shí)，相同流量下的霧化錐角減小，且空心錐現(xiàn)象得到明顯改善，混合室錐角的改變對(duì)噴霧頭流量系數(shù)影響較小；

（3）當(dāng)噴霧頭內(nèi)芯螺旋升角增大時(shí)，噴霧頭流量系數(shù)增大，相同流量下的霧化錐角減小，噴霧不均勻度增加；

（4）綜合考慮噴霧頭壓降、霧化錐角及霧化均勻性要求，螺旋升角30°、混合室錐角45°是一組較為合適的參數(shù)。

采用基于VOF方法對(duì)噴霧頭進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，數(shù)值方法成本低，揭示內(nèi)外部流動(dòng)過程，彌補(bǔ)試驗(yàn)的不足，能夠?yàn)閲婌F頭的設(shè)計(jì)提供參考。