曹德嘉

摘要： 本文通過CFD軟件對(duì)設(shè)冷水管道現(xiàn)有布置和分別安裝Etoile型、管束型和K-Lab型流量調(diào)整器后母管孔板流量計(jì)截面處的流場(chǎng)進(jìn)行了分析。模擬計(jì)算結(jié)果顯示目前的管道布置無法使測(cè)量孔板截面處的流場(chǎng)完全符合漩渦角的要求。3種流動(dòng)調(diào)整器對(duì)流場(chǎng)均能起一定的改善作用。鑒于K-Lab型的結(jié)構(gòu)比管束型更為緊湊，因此其更適用于現(xiàn)有管道布置的改進(jìn)。

Abstract： The component cooling water flow without or with Etoile， Bundle and K-Lab flow conditioner respectively in section plane where the flow measurement orifice plate is installed are analyzed by CFD in this paper. The results show that the discrepancy between current pipe layout and requirements of standard in swirl angle. The three types flow conditioners can all be used to ameliorate flow condition. Considering that the K-Lab type has a more compact structure， it's more suitable for current pipe layout than Bundle pipe type.

關(guān)鍵詞： 流動(dòng)調(diào)整器；漩渦角；流速分布

Key words： flow conditioner；swirl angle；velocity profile

中圖分類號(hào)：U284.12+2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）34-0174-02

0 引言

孔板流量計(jì)因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和測(cè)量準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)廣泛地應(yīng)用于核電站各類系統(tǒng)中的流量測(cè)量。然而該類流量計(jì)的使用條件較為嚴(yán)格，一般要求所測(cè)流場(chǎng)為充分發(fā)展流動(dòng)。漩渦、橫向流動(dòng)和非對(duì)稱流動(dòng)均會(huì)增加測(cè)量誤差。通過增加孔板前后直管段的長(zhǎng)度可以改善流場(chǎng)。但在工程應(yīng)用中由于空間的限制，大口徑管道通常很難達(dá)到充分發(fā)展流動(dòng)的直管段長(zhǎng)度要求。因此相關(guān)規(guī)范提出在實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)以下兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)判斷流場(chǎng)是否滿足孔板測(cè)量的要求：①流場(chǎng)內(nèi)各點(diǎn)漩渦角小于2°；②管道截面各點(diǎn)速度與截面最大速度的比值與充分發(fā)展流動(dòng)相比，誤差在5%以內(nèi)[1]。為了滿足上述條件同時(shí)減少直管段長(zhǎng)度，工程上使用流動(dòng)調(diào)整器以改善流場(chǎng)，在減少漩渦角的同時(shí)使其速度分布盡可能接近充分發(fā)展流動(dòng)。常用的流動(dòng)調(diào)整器根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同分為Etoile型、管束型和K-Lab型。本文以設(shè)冷水母管流量測(cè)量為例通過分析現(xiàn)有布置和分別增設(shè)上述3類流動(dòng)調(diào)整器后流量測(cè)量孔板處的流場(chǎng)，對(duì)流動(dòng)調(diào)整器在設(shè)冷水母管流量測(cè)量改進(jìn)中的應(yīng)用進(jìn)行探討。

1 幾何模型與邊界條件

1.1 幾何模型

如圖1所示，設(shè)冷水母管為標(biāo)準(zhǔn)24”管道，內(nèi)徑D約為590mm；設(shè)冷水正常工況下流量為2434.55m3/h。現(xiàn)有布置中測(cè)量孔板上游設(shè)有1個(gè)彎曲半徑為1D的豎直彎頭，彎頭出口至孔板距離約為10D；孔板下游設(shè)有1個(gè)彎曲半徑為1D的水平彎頭，彎頭入口至孔板距離約為5D。

假定3種流動(dòng)調(diào)整器均安裝于上游彎管出口處并采用標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)尺寸。其中Etoile型調(diào)整器長(zhǎng)度為2D（1180mm）；管束型調(diào)整器長(zhǎng)度為2D（1180mm）；K-Lab調(diào)整器厚度為88mm[1]。流動(dòng)調(diào)整器出口與下游流量孔板間的距離均大于4D以避免調(diào)整器本身對(duì)測(cè)量流場(chǎng)的擾動(dòng)[2]。

1.2 邊界條件

模型中介質(zhì)為水，屬于不可壓流體。由于為帶有彎曲壁面的管道，因此選用RNG k-ε模型[3]。管道入口流速根據(jù)流量和管道內(nèi)徑為2.47m/s；湍流定義采用湍流強(qiáng)度和水力半徑方法，湍流強(qiáng)度為2.7%，水力半徑為圓管道內(nèi)徑590mm；管道出口類型為Outflow；采用SIMPLEC算法耦合求解壓力和速度的耦合；壓力耦合采用Standard，動(dòng)量、湍流動(dòng)能和湍流擴(kuò)散采用二階迎風(fēng)格式。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

漩渦角是管道的橫截面上某點(diǎn)的流速與管道軸線的夾角[4]。根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果4種工況下流量測(cè)量孔板處截面中各點(diǎn)的漩渦角分布如圖2、3、4和5所示。

由圖2可知，由于流體本身具有慣性導(dǎo)致彎頭下游流體的流動(dòng)方向并非立刻改變。流體在原有的速度方向上依然保持了一定的速度分量并隨距離衰減，因此導(dǎo)致存在一定的偏離管道軸線的漩渦角。在現(xiàn)有布置工況下流量測(cè)量孔板截面處除緊鄰管壁的邊界層外漩渦角呈現(xiàn)1～10°范圍內(nèi)的均勻分布，小部分區(qū)域達(dá)到12～13°，遠(yuǎn)大于規(guī)范中小于2°的要求，可能造成一定的測(cè)量誤差。

如圖3、4和5所示，在彎管后安裝流動(dòng)調(diào)整器顯著減小了漩渦角。Etolie型調(diào)整器使截面處的漩渦角降低至3.5°左右。管束型和K-Lab型則效果更為明顯，除緊鄰管壁處的邊界層外截面各點(diǎn)的漩渦角均小于2°且分布均勻。主要原因可能是調(diào)整器對(duì)管道內(nèi)的流道進(jìn)行了切割，其產(chǎn)生的通徑較小的流道在提高管道軸向速度的同時(shí)抑制了其他方向的流動(dòng)從而使漩渦角明顯降低。由此可見流動(dòng)調(diào)整器能顯著降低流量測(cè)量孔板截面處的漩渦角，其中管束型和K-Lab型效果更佳，能完全滿足規(guī)范中的要求。

3 結(jié)論

根據(jù)上述的計(jì)算和分析可以得到如下結(jié)論：

①現(xiàn)有管道布置下設(shè)冷水母管流量測(cè)量孔板處漩渦角與規(guī)范要求存在偏差，可能造成一定的測(cè)量誤差。②Etoile型調(diào)整器能明顯降低漩渦角，但加劇了與完全發(fā)展流動(dòng)流速分布的偏離，僅能起流場(chǎng)整直的作用。③管束型和K-Lab型調(diào)整器均能降低漩渦角。鑒于K-Lab型結(jié)構(gòu)尺寸遠(yuǎn)小于管束型，K-Lab型調(diào)整器應(yīng)為現(xiàn)有設(shè)冷水母管流量測(cè)量改進(jìn)的首選。

參考文獻(xiàn)：

[1]GB/T 2624.1：2006，用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測(cè)量滿管流體流量 第1部分：一般原理和要求[S].

[2]Wei Xiong， Kathrin Kalkuhler， Wolfgang Merzkirch. Velocity and turbulence measurements downstream of flow conditioners [J]. Flow Measurement and Instrumentation， 2003，14：249-206.

[3]于勇.Fluent入門與進(jìn)階教程[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2008.

[4]JJF 1004：1986，流量計(jì)量名詞術(shù)語及定義[S].endprint