武有光 徐建華 張子鵬 章雨 水璇璇 杜樞

【摘 要】本文對環(huán)形窄縫中三葉型節(jié)流元件的阻力特性進行了試驗研究，獲得環(huán)縫中不同開口角度θ的三葉型節(jié)流件的阻力系數(shù)。同時，利用ICEM對帶有不同開口角度θ的三葉型節(jié)流件環(huán)形窄縫進行三維立體建模并進行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。選用重整化k-ε湍流模型，利用Fluent軟件進行三維流場模擬。結(jié)果表明：試驗得到三葉型節(jié)流件的阻力系數(shù)隨著開口角度增大而減小，且近似于指數(shù)函數(shù)變化;試驗得到的不同開口角度θ的三葉型節(jié)流件阻力系數(shù)與數(shù)值模擬結(jié)果吻合較好，相對誤差在8%以內(nèi)。

【關(guān)鍵詞】三葉型節(jié)流件;局部阻力系數(shù);試驗研究;數(shù)值模擬

中圖分類號： TL334 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）08-0004-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.08.002

【Abstract】An experimental study was performed to investigate the resistance characteristics of the trilobal throttling element in narrow annular channel， and the resistance coefficients of trilobal throttling elements with different opening angles are obtained. At the same time， ICEM is used to build three-dimensional model of narrow annular channel of trilobal throttling elements with different opening angles θ and to divide structured meshes. The RNG k-ε turbulence model was used to simulate the three-dimensional flow field with Fluent software. The results show that the resistance coefficient of the trilobal throttling elements decreases with the increase of the opening angle， which is similar to the exponential function. Compared with the numerical simulation results， the resistance coefficient of the trilobal throttling elements with different opening angles θ is less than 8%.

【Key words】Narrow annular channel; Trilobal throttling element; Local resistance coefficient; Experimental research; Numerical simulation

0 前言

環(huán)形窄縫通道具有傳熱面積大，結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于核能、電子元件、制冷和緊湊型換熱器領(lǐng)域[1]。例如，環(huán)形窄縫通道作為傳熱管被應(yīng)用在套管直流蒸汽發(fā)生器內(nèi)[2]。然而，在一定條件下，在環(huán)形窄縫中氣液兩相的流動不穩(wěn)定性會致機械振動和熱應(yīng)力交替，產(chǎn)生局部傳熱惡化，甚至發(fā)生爆管事故[3]。有研究表明，安裝在環(huán)形窄縫通道入口處的節(jié)流元件有助于改善氣液兩相流不穩(wěn)定性[4]。因為在環(huán)形窄縫中流體從過冷到沸騰再到過熱的過程中，入口節(jié)流閥將增加單相壓降并降低總壓降比例中的沸騰壓降，減少沸騰區(qū)的壓力波動對總壓降的影響。節(jié)流件是一種在流道中起限定流量或增加阻力作用的部件[5]。

對于圓管中一些不同形狀節(jié)流件的阻力特性研究已經(jīng)很充分，而且存在標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流件的局部阻力系數(shù)的經(jīng)驗關(guān)系式[6-8]。但是對于環(huán)形窄縫中節(jié)流件的阻力特性研究還很少，無法從現(xiàn)有的阻力手冊中得到其阻力系數(shù)值。另外，為了盡可能提高環(huán)形窄縫通道內(nèi)兩相流的穩(wěn)定性和流體的均勻分布，設(shè)計了三葉節(jié)流元件。通過試驗和數(shù)值模擬確定三葉節(jié)流元件的局部阻力系數(shù)將為三葉形節(jié)流元件在窄環(huán)形通道中的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持，以防止流動不穩(wěn)定。

因此，本文將對環(huán)形窄縫中不同開口角度θ的三葉型節(jié)流件的阻力特性進行試驗和數(shù)值模擬研究。利用試驗結(jié)果總結(jié)出環(huán)縫中不同開口角度θ下三葉型節(jié)流件阻力系數(shù)的經(jīng)驗公式，并通過數(shù)值模擬結(jié)果進行驗證。

1 試驗研究

1.1 試驗裝置和方法

環(huán)形窄縫中三葉型節(jié)流件阻力特性試驗臺如圖1所示。

該試驗系統(tǒng)主要由一回路：加熱器，穩(wěn)壓器，循環(huán)泵1，試驗本體等組成。二、三回路：換熱器、冷卻盤管、冷卻塔、循環(huán)泵2等組成（如圖1所示）。此外還有由熱電偶、壓力表、流量計、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、計算機等組成的測量系統(tǒng)。在試驗系統(tǒng)回路中，首先通過一回路循環(huán)泵把冷卻水送至一回路加熱器內(nèi)，經(jīng)加熱器加熱的水自上而下通過試驗本體。在試驗過程中可以通過一回路的加熱器給一回路冷卻劑升溫，二、三回路的熱交換器給一回路冷卻劑降溫。在同一三葉型節(jié)流件下分別在試驗本體入口溫度為30、80、150、200℃四個不同工況下進行試驗，試驗系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。當(dāng)試驗本體入口溫度達到所需溫度參數(shù)時，關(guān)閉加熱器以及去往熱交換器的閥門。當(dāng)一回路參數(shù)基本維持穩(wěn)定時，調(diào)節(jié)一回路閥門，記錄一回路不同流量下，節(jié)流件前后的差壓。更換不同開口角度的三葉型節(jié)流件，重復(fù)上述過程。

試驗本體結(jié)構(gòu)主要由內(nèi)套管，外套管以及環(huán)縫——三葉型節(jié)流件（簡稱：三葉型節(jié)流件）組成（如圖2所示）。其中環(huán)縫外管內(nèi)徑為12mm，內(nèi)管外徑為10mm。流體在內(nèi)套管和外套管所圍成的環(huán)形窄縫中自上而下流動。由于環(huán)縫中有三葉型節(jié)流件存在，使得三葉型節(jié)流件前后產(chǎn)生壓差。

在環(huán)縫中，均勻布置三個一定扇形角的環(huán)形堵件，命名為環(huán)縫——三葉形節(jié)流件（如圖3所示）。為使節(jié)流件具有節(jié)流和使流體盡量均勻分布的雙重作用，專門設(shè)計了環(huán)縫——三葉型節(jié)流件。其中規(guī)定在環(huán)縫中兩個環(huán)形堵件所夾較小環(huán)形的扇形角為開口角度θ，則環(huán)縫中總開口角度為3*θ。

1.2 試驗結(jié)果和分析

在已知環(huán)縫中流量、節(jié)流件前后壓、流體狀態(tài)、管道幾何尺寸以及三葉型節(jié)流件開口角度時，就可以得到不同開口角度的三葉型節(jié)流件的局部阻力系數(shù)。

湍流流動阻力是由于流體與壁面之間的摩擦以及由于流體顆粒之間的能量交換而造成的附加損失。在計算湍流摩擦系數(shù)的關(guān)系中，最典型的是尼庫拉則-卡門方程。

圖4為試驗得到試驗本體部分不同開口角度下三葉型節(jié)流件總阻力系數(shù)隨著雷諾數(shù)的變化曲線。當(dāng)Re<6000時，總阻力系數(shù)隨著雷諾數(shù)的增加而快速減小。當(dāng)Re>6000時，總阻力系數(shù)隨著雷諾數(shù)的增加基本保持不變，流動到達自?；瘏^(qū)。在相同開口角度下的試驗得到的阻力特性與通式（4）一致。此外隨著三葉型節(jié)流件開口角度的減小，流動阻力變大。試驗的流量范圍和最大雷諾數(shù)均隨著三葉形節(jié)流元件包角的減小而不斷減小。

當(dāng)未安裝三葉形節(jié)流元件時，試驗得到的總阻力系數(shù)為2.9，即窄環(huán)形窄縫通道的摩擦阻力系數(shù)。在自模擬區(qū)，通道總阻力系數(shù)與摩擦阻力系數(shù)之差為三葉形節(jié)流元件的局部阻力系數(shù)。

試驗達到圖5的曲線關(guān)系表明，三葉形節(jié)流元件的局部阻力系數(shù)隨包角的增大而減小，近似為冪函數(shù)。

2 數(shù)值模擬研究

2.1 網(wǎng)格劃分

根據(jù)試驗段本體的結(jié)構(gòu)，利用ICEM建立三維實體模型并進行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分（如圖6所示）。其中網(wǎng)格數(shù)量約為150萬～200萬，網(wǎng)格質(zhì)量都在0.9以上。

網(wǎng)格獨立驗證對于獲得更準(zhǔn)確的計算結(jié)果具有重要意義，本文選擇30°開口角度來驗證網(wǎng)格獨立性。在開口角度為30°情況下，分別把試驗段本體的網(wǎng)格數(shù)量劃分為200萬、500萬、800萬，計算得到總阻力系數(shù)分別為29.27、29.10、29.42（如表2所示）。計算結(jié)果可以看出，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量從200萬的基礎(chǔ)上增加時，計算結(jié)果基本保持不變。為了節(jié)省計算時間，同時保證計算精度，本研究選取了200萬的網(wǎng)格數(shù)進行計算。

2.2 物理模型

采用的物理模型為重整化k-ε（即RNG k-ε）湍流模型。該模型適用于快速應(yīng)變、中等旋渦、局部轉(zhuǎn)捩的復(fù)雜剪切流動（如邊界層分離、渦的后臺階分離）[10]。由于幾何體結(jié)構(gòu)中節(jié)流件的存在，使得流道中產(chǎn)生旋渦等復(fù)雜的湍流流動，因此在此數(shù)值模擬中選擇該模型。進、出口的邊界條件分別設(shè)置為速度入口、壓力出口。Fluent數(shù)值模擬時采用3ddp求解器，選擇重整化k-ε湍流模型，離散方程組的壓力速度耦合選擇SIMPLE算法，動量、湍流動能、湍流耗散率均采用一階迎風(fēng)差分格式。

2.3 仿真結(jié)果分析

圖7為數(shù)值模擬得到的試驗本體部分不同開口角度下三葉型節(jié)流件總阻力系數(shù)隨著雷諾數(shù)的變化曲線。當(dāng)Re<7000時，總阻力系數(shù)隨著雷諾數(shù)的增加而快速減小。當(dāng)Re>7000時，總阻力系數(shù)隨著雷諾數(shù)的增加基本保持不變，流動到達自?；瘏^(qū)。在相同開口角度下的試驗得到的阻力特性與通式（4）一致。

模擬得到的圖8曲線關(guān)系表明，三葉形節(jié)流元件的局部阻力系數(shù)隨包角的增大而減小，也是近似冪函數(shù)。

3 試驗與數(shù)值模擬結(jié)果比較

試驗和數(shù)值模擬中流體轉(zhuǎn)化到自?；瘏^(qū)的雷諾數(shù)不同，分別為6000、7000。試驗和數(shù)值模擬中總阻力系數(shù)相對誤差在8%以內(nèi)。

由圖9可以看出，三葉型節(jié)流元件的局部阻力系數(shù)與開口角度之間的數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果的基本吻合。試驗證明數(shù)值模擬結(jié)果是正確的，這也充分說明了RNG k-ε湍流模型適用于環(huán)形窄縫通道三葉形節(jié)流元件的數(shù)值模擬。三葉型節(jié)流元件的局部阻力系數(shù)隨開口角度的增大而減小，近似為冪函數(shù)。通過擬合三葉型節(jié)流元件的局部阻力系數(shù)與開口角度之間的實試驗數(shù)據(jù)得到的關(guān)系為：

4 結(jié)論

通過對環(huán)縫中不同開口角度的三葉型節(jié)流件的阻力特性進行試驗和數(shù)值模擬研究，得出以下基本結(jié)論。

（1）三葉型節(jié)流元件的局部阻力系數(shù)隨開口角度的增大而減小，近似為冪函數(shù)。

（2）三葉型節(jié)流元件的局部阻力系數(shù)與開口角度的關(guān)系為：ξ=41277θ-2.18

（3）對于相同的三葉型節(jié)流件，總阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)的增加而減小。當(dāng)流體到達自模化區(qū)時，總阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)的增加而保持不變。

（4）數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好，說明RNG k-ε湍流模型適用于窄環(huán)形通道內(nèi)三葉形節(jié)流元件的數(shù)值模擬。

【參考文獻】

[1]IAEA.Innovative small and medium sized reactors：Design features，safety approaches and R&D trends，IAEA-TECDOC-1451[R].Austria：IAEA，2005.

[2]張亞軍，王秀珍.200MW低溫核供熱堆研究進展及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展前景[J].核動力工程，2003，24（2）：180-182.

[3]陳明輝，厲日竹，何曉艷等.一體化核反應(yīng)堆套管管束式換熱器設(shè)計與試驗[J].清華大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2006，46（12）：2065-2068.

[4]Tang L S.Tang Y S.Boiling Heat Transfer and Two phase Flow[M].Second editionTaylor&Francis.1997.457-480.

[5]夏庚磊，董化平，彭敏俊，郭赟.環(huán)隙窄縫通道管間脈動不穩(wěn)定性分析[J].原子能科學(xué)技術(shù)，2011，45（9）：1034-1039.

[6]吳斌.節(jié)流孔板在加熱爐汽化冷卻裝置中的應(yīng)用[J].鋼 鐵技術(shù)，2009（3）：30-33.

[7]洪梅.鍋爐管路中節(jié)流孔板和流量孔板的設(shè)計[J].鍋爐技術(shù)，2005，36（5）：24-27.

[8]張毅雄，毛慶，等.多級節(jié)流孔板在核級管道中的應(yīng)用[J].核動力工程，2009，30（4）：71-73.

[9]劉建閣，彭敏俊，等.套管式直流蒸汽發(fā)生器負(fù)荷跟隨動態(tài)特性分析[J].原子能科學(xué)技術(shù)，2010，44（2）：175-182.

[10]王福軍.計算流體動力學(xué)分析-CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.