孫 燕 陳 聰 李發(fā)強(qiáng) 汪 宇 王 月

(1.中國(guó)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；2. 森泰英格(成都)數(shù)控刀具有限公司；3. 中國(guó)成達(dá)工程有限公司)

大雙螺旋穩(wěn)壓器噴霧頭阻力特性數(shù)值分析研究①

孫 燕1陳 聰1李發(fā)強(qiáng)2汪 宇1王 月3

(1.中國(guó)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；2. 森泰英格(成都)數(shù)控刀具有限公司；3. 中國(guó)成達(dá)工程有限公司)

通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法，研究了大雙螺旋穩(wěn)壓器噴霧頭內(nèi)部的流動(dòng)情況，分析了小混合室、大混合室的結(jié)構(gòu)和螺旋流道螺旋角對(duì)噴霧頭流量系數(shù)的影響。通過(guò)分析得到，混合室結(jié)構(gòu)中，最終影響流量系數(shù)的因素為混合室的出口直徑；小混合室出口直徑越大，流量系數(shù)越大；大混合室出口直徑越大，流量系數(shù)越小；在所研究的范圍內(nèi)，大混合室出口直徑對(duì)流量系數(shù)的影響更明顯；內(nèi)、外芯螺旋流道的螺旋角越大，流量系數(shù)越大。

穩(wěn)壓器 大雙螺旋噴霧頭 阻力特性 流量系數(shù) 計(jì)算流體力學(xué)(CFD)

在壓水堆一回路系統(tǒng)中，穩(wěn)壓器頂部的噴霧頭與冷卻劑系統(tǒng)的冷管段相連[1]，當(dāng)穩(wěn)壓器上部的飽和蒸汽壓力高時(shí)，噴霧頭通過(guò)對(duì)飽和蒸汽進(jìn)行噴淋以達(dá)到降壓的效果[2，3]。噴霧頭的霧化性能直接決定了它緩解系統(tǒng)壓力正波動(dòng)的能力。壓水堆穩(wěn)壓器廣泛采用離心式噴霧頭，在離心式噴霧頭中，過(guò)冷水進(jìn)入噴霧頭后，經(jīng)過(guò)螺旋流道使水流方向發(fā)生改變，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)后到達(dá)噴嘴前端的混合室，增加水流的湍流強(qiáng)度后，再由噴嘴噴出[4]，其霧化性能取決于噴霧頭出入口的壓差和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

以往對(duì)穩(wěn)壓器噴霧頭阻力特性的研究主要建立在經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)的基礎(chǔ)上。筆者通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)方法(CFD)，研究大雙螺旋噴霧頭內(nèi)部的流動(dòng)情況，分析小混合室、大混合室的結(jié)構(gòu)和螺旋流道螺旋角對(duì)噴霧頭阻力特性的影響，為穩(wěn)壓器大雙螺旋噴霧頭的設(shè)計(jì)提供參考。

1 噴霧頭阻力特性分析

在噴霧頭的設(shè)計(jì)計(jì)算中，由于流體從噴霧頭的前部管段流入噴霧頭，最后由噴霧頭的噴口流出，不論流體在噴霧頭內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)過(guò)程如何，可視為恒定壓差下流體經(jīng)管嘴的運(yùn)動(dòng)，其流量與噴霧頭噴口和壓頭的關(guān)系為[5]：

(1)

式中g(shù)——重力加速度，9.81m/s2；

H——噴霧頭壓頭，米水柱；

Q——流經(jīng)噴霧頭的流體流量，m3/s；

μ——流量系數(shù)；

ω——噴霧頭噴口的斷面積，m2。

用Δp/ρg代替式(1)中的H，用ωV(V為出口流速，m/s)代替Q，得到：

(2)

式中 Δp——噴霧頭出入口的壓降，Pa；

ρ——流體密度，kg/m3。

綜上所述，對(duì)大雙螺旋噴霧頭阻力特性的研究主要是對(duì)其流量系數(shù)μ的研究。

2 計(jì)算模型及條件

2.1 計(jì)算結(jié)構(gòu)模型

大雙螺旋噴霧頭由內(nèi)芯、外芯和外殼組成。筆者所用的計(jì)算結(jié)構(gòu)模型參考文獻(xiàn)[5]中的大雙螺旋噴霧頭結(jié)構(gòu)，通過(guò)適當(dāng)修改得到如圖1a所示的大雙螺旋噴霧頭流體區(qū)域的結(jié)構(gòu)。外芯均勻分布6個(gè)螺旋流道，內(nèi)芯均勻分布4個(gè)螺旋流道，中間為直形流道。直形流道和內(nèi)芯螺旋流道內(nèi)的流體在小混合室混合后，與外芯螺旋流道的流體在大混合室混合，最終由出口噴出。計(jì)算時(shí)，在噴霧頭前端增加1段直管段，以使入口邊界只有1個(gè)。整個(gè)計(jì)算結(jié)構(gòu)模型的剖面如圖1b所示。結(jié)構(gòu)模型中，內(nèi)芯和外芯螺旋流道的螺旋角α為45°，小混合室的導(dǎo)錐角β為30°，長(zhǎng)度h1為26.2mm，出口直徑d1為23.1mm，大混合室的導(dǎo)錐角γ為35.7°，長(zhǎng)度h2為67.8mm，出口直徑d2為29mm。

圖1 大雙螺旋噴霧頭的計(jì)算結(jié)構(gòu)模型

2.2 控制方程

噴霧頭內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)的控制方程包括連續(xù)方程、動(dòng)量方程和能量方程[6]：

(3)

(4)

(5)

式中cp——流體的定壓比熱容，J/(kg·K)；

gi——重力加速度在i方向上的分量，m/s2；

h——流體的比焓，J/kg；

p——流體的時(shí)均壓力，Pa；

S——能量方程的源項(xiàng)，J/(m3·s)；

ui、uj——流體的時(shí)均速度分量，m/s，i、j=1，2，3；

ui′——速度ui的脈動(dòng)量，m/s，i=1，2，3；

θ——溫度T的脈動(dòng)量，K；

λ——流體的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；

μ——層流動(dòng)力粘性系數(shù)，kg/(m·s)；

求解器采用ANSYS CFX。 由于噴霧頭內(nèi)的流體在出入口壓差作用下高速旋轉(zhuǎn)，因此為湍流流動(dòng)，計(jì)算中采用RNGk-ε湍流模型。

2.3 計(jì)算條件

流體介質(zhì)為單相水；入口取質(zhì)量流量邊界條件，參考文獻(xiàn)[5]中噴霧流量為15～30t/h時(shí)推薦的噴霧頭類型為大雙螺旋噴霧頭，因此噴霧流量取該流量范圍之內(nèi)的26.28t/h(25℃，0.1MPa)；出口邊界條件取壓力邊界條件，相對(duì)壓力為0MPa；壁面設(shè)為絕熱，采用無(wú)滑移邊界條件，粗糙度為0.006 3mm。

采用Workbench進(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分(圖2)。通過(guò)網(wǎng)格敏感性分析，取網(wǎng)格數(shù)量為66萬(wàn)個(gè)。

圖2 大雙螺旋噴霧頭的網(wǎng)格劃分情況

3 大雙螺旋噴霧頭阻力特性研究

3.1 噴霧頭內(nèi)流動(dòng)情況研究

對(duì)于圖1所示的大雙螺旋噴霧頭結(jié)構(gòu)模型，計(jì)算得到噴霧頭內(nèi)的流線圖如圖3所示，剖面上的速度和壓力分布云圖分別如圖4、5所示。由圖可知，流經(jīng)內(nèi)芯螺旋流道內(nèi)的流體，沿著螺旋流道以較高的流速進(jìn)入小混合室后，部分沿著腔室壁面高速旋轉(zhuǎn)，部分與流經(jīng)中間直形流道的流體混合，之后由小混合室的噴口噴入大混合室；流經(jīng)外芯螺旋流道內(nèi)的流體流入大混合室后，部分沿著腔室壁面高速旋轉(zhuǎn)，部分與小混合室噴出的流體 混合，最終由大混合室的噴嘴噴出。由于流經(jīng)中間直形流道的流體在小混合室、大混合室內(nèi)與螺旋流道流出的部分流體混合、疊加，使得小混合室、大混合室的中心流速較高；混合室內(nèi)流體的旋轉(zhuǎn)流動(dòng)使得流體受離心力作用向外圍流動(dòng)，因此壁面處流體聚集，壓力較大，而中心處由于受離心力作用，壓力較低。

圖3 大雙螺旋噴霧頭內(nèi)流線圖

圖4 剖面速度云圖

圖5 剖面壓力云圖

經(jīng)過(guò)計(jì)算，得到噴霧頭出入口的壓降為0.2MPa，由式(2)計(jì)算得到其流量系數(shù)為0.555。

3.2 小混合室結(jié)構(gòu)對(duì)流量系數(shù)的影響

圖1所示的結(jié)構(gòu)模型中，小混合室的導(dǎo)錐角β為30°，長(zhǎng)度h1為26.2mm，出口直徑d1取值為23.1mm。

保持小混合室長(zhǎng)度h1不變，改變小混合室的 導(dǎo)錐角β。表1為幾組β值對(duì)應(yīng)的小混合室的

表1 幾組β值和對(duì)應(yīng)的d1、μ值

出口直徑d1和計(jì)算得到的對(duì)應(yīng)的流量系數(shù)μ。

保持小混合室導(dǎo)錐角β不變，改變小混合室的長(zhǎng)度h1。表2為幾組h1值對(duì)應(yīng)的小混合室的出口直徑d1和計(jì)算得到的對(duì)應(yīng)的流量系數(shù)μ。

表2 幾組h1值和對(duì)應(yīng)的d1、μ值

由表1、2可知，改變小混合室的導(dǎo)錐角β和長(zhǎng)度h1最終均使得小混合室出口直徑d1(即出口截面積)發(fā)生了變化，這兩者的改變導(dǎo)致噴霧頭流量系數(shù)μ隨小混合室出口直徑d1的變化趨勢(shì)如圖6所示。

圖6 流量系數(shù)隨小混合室出口直徑的變化

由圖6可知，當(dāng)小混合室出口直徑相同時(shí)(即出口截面積相同)，小混合室導(dǎo)錐角的改變和小混合室長(zhǎng)度的改變引起的噴霧頭流量系數(shù)變化差別比較小，可以認(rèn)為在小混合室的結(jié)構(gòu)中，最終影響噴霧頭流量系數(shù)的因素為小混合室的出口直徑(即出口截面積)，出口直徑越小，噴霧頭的流量系數(shù)越小，反之越大。原因在于，噴霧流量不變時(shí)，噴霧頭出口流速不變，而小混合室的出口直徑越小，相當(dāng)于噴霧頭的阻力越大，由式(2)可知，噴霧頭的流量系數(shù)就越小，反之亦然。

經(jīng)計(jì)算，在所研究的范圍內(nèi)，小混合室出口直徑每減小1mm，噴霧頭流量系數(shù)平均減小0.005。

3.3 大混合室結(jié)構(gòu)對(duì)流量系數(shù)的影響

圖1所示的結(jié)構(gòu)模型中，大混合室的導(dǎo)錐角γ為35.7°，長(zhǎng)度h2為67.8mm，出口直徑d2為29mm。為了得到大混合室結(jié)構(gòu)對(duì)流量系數(shù)的影響，進(jìn)行了如下的研究。

保持大混合室長(zhǎng)度h2不變，改變大混合室的導(dǎo)錐角γ。表3為幾組γ值對(duì)應(yīng)的大混合室的出口直徑d2和計(jì)算得到的對(duì)應(yīng)的流量系數(shù)μ。

表3 幾組γ值和對(duì)應(yīng)的d2、μ值

保持大混合室導(dǎo)錐角γ不變，改變大混合室的長(zhǎng)度h2。表4為幾組h2值對(duì)應(yīng)的大混合室的出口直徑d2和計(jì)算得到的對(duì)應(yīng)的流量系數(shù)μ。

表4 幾組h2值以及對(duì)應(yīng)的d2、μ值

由表3、4可知，改變大混合室的導(dǎo)錐角γ和改變大混合室長(zhǎng)度h2最終均使得大混合室出口直徑d2(即出口截面積)發(fā)生了變化，這兩者的改變導(dǎo)致噴霧頭的流量系數(shù)μ隨大混合室出口直徑d2的變化趨勢(shì)如圖7所示。可見(jiàn)，當(dāng)大混合室出口直徑相同時(shí)(即出口截面積相同)，大混合室導(dǎo)錐角的改變和大混合室長(zhǎng)度的改變引起的噴霧頭流量系數(shù)變化差別很小，可見(jiàn)在大混合室的結(jié)構(gòu)中，最終影響噴霧頭流量系數(shù)的因素為大混合室的出口直徑(即出口截面積)，出口直徑越小，噴霧頭的流量系數(shù)越大，反之越小。原因在于，大混合室的出口直徑越小，噴霧頭的阻力越大，相當(dāng)于式(2)中Δp越大，而噴霧流量不變時(shí)，噴霧頭出口流速V隨出口直徑減小而增大，由于V2增大的幅度大于Δp增大的幅度，使得式(2)中流量系數(shù)μ增大，反之亦然。

圖7 噴霧頭流量系數(shù)隨大混合室出口直徑的變化

經(jīng)計(jì)算，在所研究的范圍內(nèi)，大混合室出口直徑每減小1mm，噴霧頭流量系數(shù)平均增大0.019。

3.4 螺旋流道螺旋角對(duì)流量系數(shù)的影響

圖1所示的結(jié)構(gòu)模型中，內(nèi)芯和外芯螺旋流道的螺旋角α均為45°，對(duì)應(yīng)的噴霧頭流量系數(shù)μ為0.555。為了得到螺旋角對(duì)流量系數(shù)的影響，分別將螺旋角改為30°和60°，對(duì)應(yīng)的噴霧頭流量系數(shù)μ分別為0.529、0.662。由此可知，大雙螺旋噴霧頭的螺旋角越大，噴霧頭的流量系數(shù)越大。原因在于，噴霧流量不變時(shí)，噴霧頭出口流速不變，當(dāng)螺旋角增大時(shí)，螺旋流道與進(jìn)口處流體流動(dòng)方向夾角減小，螺旋流道長(zhǎng)度縮短，且噴霧頭內(nèi)流體的螺旋流動(dòng)程度減小，這些因素均使得噴霧頭壓降減小，由式(2)可知，流量系數(shù)增大，反之亦然。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)方法(CFD)，研究了大雙螺旋穩(wěn)壓器噴霧頭內(nèi)的流動(dòng)情況，分析了小混合室、大混合室的結(jié)構(gòu)和內(nèi)外芯螺旋流道螺旋角對(duì)反映噴霧頭阻力特性的參數(shù)——流量系數(shù)的影響。通過(guò)分析可知：混合室的結(jié)構(gòu)中，最終影響噴

霧頭流量系數(shù)的因素為混合室的出口直徑(即出口截面積)；對(duì)于小混合室，出口直徑越大，噴霧頭的流量系數(shù)越大；對(duì)于大混合室，出口直徑越大，噴霧頭的流量系數(shù)越??；對(duì)于計(jì)算采用的結(jié)構(gòu)，小混合室出口直徑每減小1mm，噴霧頭流量系數(shù)平均減小0.005，大混合室出口直徑每減小1mm，噴霧頭流量系數(shù)平均增大0.019，大混合室出口直徑對(duì)噴霧頭流量系數(shù)的影響更明顯；內(nèi)、外芯螺旋流道的螺旋角也影響噴霧頭的流量系數(shù)，螺旋角越大，噴霧頭流量系數(shù)越大。筆者的研究結(jié)果可以為大雙螺旋穩(wěn)壓器噴霧頭的設(shè)計(jì)提供參考：當(dāng)系統(tǒng)中噴霧泵無(wú)法提供噴霧頭噴霧所需的壓頭時(shí)，可以通過(guò)噴霧頭混合室結(jié)構(gòu)、螺旋流道螺旋角的調(diào)整來(lái)降低噴霧頭噴霧壓差，使得噴霧泵揚(yáng)程和系統(tǒng)阻力相匹配。值得注意的是，上述結(jié)構(gòu)的調(diào)整是在噴霧頭霧化質(zhì)量保證的前提下進(jìn)行。

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[2] 鄧豐，何勁松，黃燕，等.穩(wěn)壓器霧化液滴動(dòng)力和傳熱特性數(shù)值分析[J].核動(dòng)力工程，2013，34(z1)：136～140.

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2016-01-06，

2016-11-09)

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NumericalAnalysisofResistanceCharacteristicofLarge-scaleDouble-helixPressurizerSprayer

SUN Yan1, CHEN Cong1, LI Fa-qiang2, WANG Yu1, WANG Yue3

(1.KeyLaboratoryofScienceandTechnologyforNuclearReactorSystemDesign,NuclearPowerInstituteofChina; 2.Centrix-EG(Chengdu)Co.,Ltd.; 3.ChinaChengdaEngineeringCo.,Ltd.)

孫燕(1987-)，工程師，從事核動(dòng)力裝置的設(shè)計(jì)工作，715624762@qq.com。

TQ051.3

A

0254-6094(2017)01-0088-06