郝思佳， 祁沛垚， 鐘文義， 于曉勇， 喬守旭， 譚思超

(哈爾濱工程大學(xué) 核安全與仿真技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001)

燃料組件作為反應(yīng)堆的核心部分，其內(nèi)部流動(dòng)與傳熱特性較為復(fù)雜，是堆芯熱工水力研究的重點(diǎn)之一[1]。采用棒束燃料元件的反應(yīng)堆，燃料棒之間平行放置，將堆芯流動(dòng)通道分割成互相具有動(dòng)量能量交換的子通道。正常運(yùn)行時(shí)，冷卻劑通過(guò)堆芯不同子通道，帶走燃料棒熱量。當(dāng)燃料棒由于輻照、機(jī)械應(yīng)力等發(fā)生腫脹、變形或被堆芯碎片等外來(lái)物堆積時(shí)，便會(huì)發(fā)生流道堵塞事故。事故發(fā)生后，堵塞流道內(nèi)的流動(dòng)與傳熱特性會(huì)與正常工況有很大差異，使得流動(dòng)受阻、傳熱惡化，甚至還可能會(huì)發(fā)生偏離泡核沸騰工況，威脅燃料棒的完整性。流動(dòng)特性是研究傳熱特性的基礎(chǔ)，因此有必要對(duì)堵塞條件下的棒束通道流動(dòng)特性展開(kāi)研究。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)堵塞條件下板狀燃料元件流動(dòng)特性已開(kāi)展了相關(guān)研究。Lee等[2]采用熱工水力分析程序RELAP5對(duì)堵塞條件下10 MW板狀燃料堆流道進(jìn)行了討論，說(shuō)明了堵塞對(duì)流動(dòng)與傳熱的影響。Salama等[3]采用Fluent對(duì)10 MW MTR堆的單通道堵塞工況進(jìn)行了計(jì)算，并討論了網(wǎng)格劃分、湍流模型、壁面模型對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。郭玉川[4]、李健全[5]等討論堵塞組件內(nèi)各流動(dòng)子通道與燃料板間的流動(dòng)傳熱特性。對(duì)于棒束通道堵塞條件的流動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)研究較少， Kim等[6]研究了堵塞條件下2×2棒束通道的熱現(xiàn)象。綜上，目前對(duì)于板狀燃料堵塞的相關(guān)研究較多，而對(duì)于棒束通道堵塞的研究，尤其是流場(chǎng)特性的實(shí)驗(yàn)研究較為缺乏，因此本文對(duì)堵塞條件下3×3棒束通道流場(chǎng)特性開(kāi)展相關(guān)研究。

本文對(duì)不同堵塞率條件下3×3棒束通道流場(chǎng)特性與沿程阻力系數(shù)變化規(guī)律開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)研究，將不同堵塞率對(duì)流場(chǎng)、阻力特性的影響進(jìn)行了對(duì)比，分析了堵塞對(duì)棒束通道內(nèi)流動(dòng)的影響。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)在棒束通道可視化流動(dòng)平臺(tái)上進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由流動(dòng)回路、激光測(cè)量系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 The experimental system

流動(dòng)回路由循環(huán)水箱、離心泵、流量計(jì)、壓力表、溫度計(jì)、棒束實(shí)驗(yàn)本體、過(guò)濾器、換熱器以及相應(yīng)的連接管道及閥門(mén)等組成。實(shí)驗(yàn)工質(zhì)經(jīng)過(guò)水泵流入實(shí)驗(yàn)本體后返回水箱，完成一個(gè)循環(huán)。實(shí)驗(yàn)中調(diào)整至加熱器功率與換熱器換熱能力匹配，保持流體溫度恒定。

成像系統(tǒng)主要包括高速攝影儀以及配套的相機(jī)監(jiān)視控制設(shè)備。高速攝影儀安置在高速攝影儀調(diào)節(jié)架上，用以拍攝流道內(nèi)的實(shí)驗(yàn)圖像。高速攝影儀采用Photron公司生產(chǎn)的FASTCAM Mini Ux100，能夠?qū)崿F(xiàn)高分辨率條件下的高速拍攝。激光器選用二極管泵浦固體連續(xù)激光器，規(guī)格型號(hào)為L(zhǎng)R-532CP-10，拍攝區(qū)域產(chǎn)生的片光厚度為1～1.5 mm，有效工作范圍在15 cm以上，能夠很好滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)要求。

實(shí)驗(yàn)本體上布置差壓變送器用來(lái)采集棒束通道內(nèi)的壓降，差壓變送器布置于同一水平高度以平衡重位壓降。差壓變送器(量程為2 kPa，精度為0.1%)測(cè)量。實(shí)驗(yàn)回路中電磁流量計(jì)的響應(yīng)時(shí)間較快, 因此忽略流量計(jì)的延遲時(shí)間。差壓變送器設(shè)置2個(gè)，分別測(cè)量光棒與堵塞段處的總壓降，堵塞段處總壓降包括了摩擦與局部壓降，而光棒處總壓降僅為摩擦壓降，因此采用二者相減的方法即可得出堵塞物的局部壓降，此消除摩擦壓降影響的方法在相關(guān)文獻(xiàn)已有說(shuō)明[7]。

1.2 實(shí)驗(yàn)本體

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了3×3棒束通道的實(shí)驗(yàn)本體，尺寸為40.9 mm×40.9 mm，棒直徑為9.5 mm，棒間距為12.6 mm，流道的水力直徑約為9.583 mm。

實(shí)驗(yàn)本體筒體由有機(jī)玻璃材料加工而成，具有高度透光性。棒束部分由9根氟化乙烯丙烯共聚物(FEP)透明細(xì)管組成，該材料折射率與水(本實(shí)驗(yàn)工質(zhì))相近(折射率匹配誤差為0.375%)，可以大幅度減小光路畸變引起的誤差。棒束兩端采用拉緊裝置實(shí)現(xiàn)棒的豎直，保證了棒束內(nèi)部安裝尺寸準(zhǔn)確的要求。本體壁面設(shè)置4個(gè)引壓口，第1個(gè)引壓孔布置在距筒體入口300 mm處以消除入口效應(yīng)。引壓口間距為200 mm，一對(duì)布置在光棒區(qū)域以測(cè)量沿程壓降，一對(duì)布置于堵塞物區(qū)域以測(cè)量局部壓降。具體棒束通道示意圖如圖2所示。

圖2 棒束通道示意Fig.2 Schematic diagram of rod bundle

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了2種堵塞率的堵塞件，堵塞件由有機(jī)玻璃材料制成，堵塞件厚度為40 mm，堵塞率為50%、70%，呈對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)。堵塞件布置于實(shí)驗(yàn)本體中間位置附近，由于設(shè)計(jì)形式類(lèi)似，在此僅將50%堵塞件的具體尺寸及三維圖展示如圖3所示。

圖3 堵塞件示意Fig.3 Schematic diagram of blocked pieces

1.3 實(shí)驗(yàn)誤差分析

棒束通道內(nèi)PIV速度測(cè)量的不確定度經(jīng)日本可視化協(xié)會(huì)的計(jì)算方法得出，最大誤差為5.7%[8]。棒束通道內(nèi)壓降測(cè)量的誤差為±2 Pa，響應(yīng)時(shí)間為0.1 s。流量測(cè)量的不確定度為0.37%。采集系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)為電流信號(hào)，不存在延遲，故忽略采集系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間。

2 工況設(shè)置與數(shù)據(jù)處理

2.1 工況設(shè)置

棒束流動(dòng)堵塞研究實(shí)驗(yàn)在常溫常壓條件下進(jìn)行，使用水作為流動(dòng)工質(zhì)，在不同的流速下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。速度實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。實(shí)驗(yàn)測(cè)量位置為堵塞段下游12倍水力直徑內(nèi)與堵塞段上游光棒區(qū)域處。具體的實(shí)驗(yàn)測(cè)量截面與坐標(biāo)系如圖4拍攝截面所示。壓降試驗(yàn)工況雷諾數(shù)范圍位于500～11 000。

表1 速度實(shí)驗(yàn)工況Table 1 Speed test condition

圖4 測(cè)量截面Fig.4 Measuring plane

2.2 數(shù)據(jù)處理

流速的測(cè)量中，高速相機(jī)拍攝速度設(shè)置為4 000幀/s，像素設(shè)置為1 024×1 024于棒束全通道40.9 mm×40.9 mm，如圖5所示。圖5(a)為截面1流場(chǎng)拍攝原圖，圖5(b)為截面2流場(chǎng)拍攝原圖。PIV后處理程序采用LaVision公司開(kāi)發(fā)的PIV后處理軟件Davis，分辨率為0.032 mm/pixel，后處理過(guò)程中詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)文獻(xiàn)[9]。

圖5 速度數(shù)據(jù)PIV原圖Fig.5 Original picture of the data

對(duì)于阻力系數(shù)的處理，流體壓降計(jì)算公式為：

Δp=Δpg+Δpa+Δpf+Δpp

(1)

式中：Δpg為重位壓降；Δpa為加速壓降；Δpf為摩擦壓降；Δpp為局部壓降。本文Δpg的影響已被平衡掉，視為0。穩(wěn)態(tài)流動(dòng)Δpa不存在，視為0。

當(dāng)計(jì)算沿程阻力系數(shù)時(shí)，不存在局部壓降，因此可用達(dá)西公式[9]得出沿程阻力系數(shù)λ：

(2)

式中：L為流道長(zhǎng)度；V為流體入口流速；A為流道橫截面面積；P為濕周。

堵塞物局部壓降Δpp與局部阻力系數(shù)ζ計(jì)算方法：

(3)

3 結(jié)果與分析

3.1 光棒流場(chǎng)分析

為更好地反應(yīng)堵塞物對(duì)通道的影響，實(shí)驗(yàn)獲取了光棒條件下棒束通道速度分布用以對(duì)照，文中結(jié)果均為時(shí)均結(jié)果，經(jīng)PIV圖片后處理數(shù)量的無(wú)關(guān)性計(jì)算，2 000張圖片的時(shí)均處理結(jié)果可達(dá)到無(wú)關(guān)性，因此選取2 000張圖片進(jìn)行時(shí)均處理。

圖6為光棒條件下截面1速度云圖。由圖可見(jiàn)，棒束通道內(nèi)呈現(xiàn)出子通道邊緣縱向速度低，子通道中心縱向速度高的趨勢(shì)。這是由于子通道邊緣流道狹窄，棒壁面的粘滯作用對(duì)此處流體的阻力作用更明顯。需要說(shuō)明的是，由于安裝誤差、棒束尺寸誤差、激光衰減等因素，通道速度具有較小的不對(duì)稱(chēng)性。

圖7(a)、(b)對(duì)比了不同雷諾數(shù)下截面1速度分布，其中v/vmax為無(wú)量綱速度。定性來(lái)看，所有工況下的速度分布趨勢(shì)相似。定量來(lái)看雷諾數(shù)低(Re=2 550)時(shí)，子通道邊緣與子通道中心縱向速度差約為最大速度的25%，雷諾數(shù)高(Re=10 750)時(shí)，縱向速度差約為最大速度的14%。這主要是因?yàn)槔字Z數(shù)大時(shí)會(huì)提供更大的慣性力，導(dǎo)致慣性力與粘性力之比增加，慣性力削弱了粘性力的影響。圖7(c)、(d)對(duì)比了不同雷諾數(shù)下截面2速度分布。相比于截面1，雷諾數(shù)的增加對(duì)此截面無(wú)量綱速度分布影響不大，也就是說(shuō)，對(duì)于子通道邊緣雷諾數(shù)增加更多的是影響速度大小，對(duì)于速度分布形狀無(wú)顯著影響。這說(shuō)明了在此雷諾數(shù)范圍內(nèi)，子通道邊緣的慣性力不足以消減壁面粘滯力對(duì)流體的影響。

圖6 光棒速度云圖Fig.6 Velocity nephogram of bare rod

圖7 不同雷諾數(shù)光棒速度對(duì)比Fig.7 Velocity comparison of bare rod in different Reynolds number

3.2 堵塞流場(chǎng)分析

3.2.1 速度分析

圖8展示了50%堵塞率堵塞件下游1、2倍水力直徑Dh不同雷諾數(shù)下截面1的速度分布。縱向速度分布趨勢(shì)隨雷諾數(shù)增加區(qū)別不大，區(qū)別主要在于：當(dāng)流速提高，波峰處的速度會(huì)明顯增加，波谷處速度在下游2個(gè)Dh以?xún)?nèi)增加并不明顯，且有回流現(xiàn)象。橫向速度分布趨勢(shì)隨雷諾數(shù)變化大致相同?？紤]到光棒時(shí)速度分布隨雷諾數(shù)的變化規(guī)律，因此本文討論了Re=2 550、Re=7 700 2類(lèi)工況。

如圖9展示了截面1堵塞物下游12Dh以?xún)?nèi)的縱向速度，圖10為相同位置的橫向速度?？梢钥闯觯瑢?duì)于縱向速度：當(dāng)雷諾數(shù)提高，波峰處的速度會(huì)明顯增加，波谷處速度在下游2Dh以?xún)?nèi)增加并不明顯，且有回流現(xiàn)象。相比于光棒區(qū)域，堵塞物可流通區(qū)域后部的縱向流速大幅度增加，堵塞物正后部流速則較低，縱向速度分布呈類(lèi)似于正弦變化；對(duì)于橫向速度：當(dāng)雷諾數(shù)提高，橫向流速也會(huì)略有增加，下游3Dh以?xún)?nèi)橫向流速較高，說(shuō)明在此范圍內(nèi)有渦的存在。堵塞區(qū)后部約3Dh附近會(huì)產(chǎn)生左右流體交匯的現(xiàn)象，使得此處橫向流速增加，之后橫向速度會(huì)明顯減小。位置處于堵塞區(qū)下游3Dh之后時(shí)，在各個(gè)雷諾數(shù)下，速度分布的形狀相似，說(shuō)明該雷諾數(shù)區(qū)域，改變進(jìn)口流速對(duì)堵塞區(qū)后橫向速度分布趨勢(shì)的影響不大，主要影響其速度大小。但位置處于堵塞區(qū)下游3Dh之內(nèi)時(shí)，流動(dòng)較為復(fù)雜，湍流行為明顯。

將70%堵塞工況下截面1堵塞物下游12Dh以?xún)?nèi)的縱向速度展示于圖11?？梢钥闯?，相比于光棒區(qū)域，堵塞物可流通區(qū)域后部的縱向流速大幅度增加，堵塞物正后部流速則較低，橫向速度方向以直線(xiàn)x=20.45 mm為對(duì)稱(chēng)軸左右對(duì)稱(chēng)，且橫向速度也會(huì)有所增加。當(dāng)流速提高，橫向流速也會(huì)略有增加，由于有渦的存在，使得區(qū)域橫向速度較大，在3～4倍Dh附近的區(qū)域橫向速度會(huì)減少，這說(shuō)明了渦的影響逐漸消失，但此處仍位于渦的尾流區(qū)，依然存在較大的橫向速度。隨著流動(dòng)不斷發(fā)展，到達(dá)堵塞物下游約10倍Dh后速度分布逐漸趨于光棒速度場(chǎng)。

圖8 不同雷諾數(shù)堵塞件下游速度分布Fig.8 Velocity distribution of blocked downstream in different Reynolds number

圖9 截面1堵塞物下游不同Dh縱向速度(50%)Fig.9 Longitudinal velocity of the blockage downstream in section 1(50%)

圖10 截面1堵塞物下游不同Dh橫向速度(50%)Fig.10 Lateral velocity of the blockage downstream in section 1(50%)

如圖12展示了50%堵塞工況截面2堵塞物下游12倍Dh以?xún)?nèi)的縱向速度。70%堵塞工況速度分布形式與此工況類(lèi)似，因此不再加以贅述。相比于光棒區(qū)域，堵塞物可流通區(qū)域后部的縱向流速在2倍Dh以?xún)?nèi)大幅度減少，這是由于測(cè)量位置在堵塞物正后面，在1～2倍Dh附近未堵塞部分的流體會(huì)擴(kuò)散至此處，橫向速度的分布可以證明此觀(guān)點(diǎn)。因此2Dh后縱向流速會(huì)突然提高，橫向速度方向以直線(xiàn)x=20.45 mm為對(duì)稱(chēng)軸左右對(duì)稱(chēng)，且橫向速度也會(huì)有所增加。隨著流動(dòng)不斷發(fā)展，到達(dá)堵塞物下游4倍Dh后速度分布逐漸趨于光棒速度場(chǎng)。

圖11 截面1堵塞物下游不同Dh縱向速度(70%)Fig.11 Longitudinal velocity of the blockage downstream in section 1(70%)

2類(lèi)堵塞工況對(duì)比可知，雖然堵塞率發(fā)生變化，但由于堵塞的形式基本相同，堵塞物對(duì)下游流場(chǎng)速度的影響規(guī)律也基本相似?？傮w來(lái)看，堵塞下游由于截面突擴(kuò)，速度會(huì)有所增加，在下游10Dh附近的流場(chǎng)逐漸趨于光棒流場(chǎng)。

3.2.2 渦結(jié)構(gòu)分析

將50%、70%堵塞件下游速度矢量圖展示于圖13。雷諾數(shù)的提高對(duì)于堵塞物下游渦的范圍影響不大，但一定程度上會(huì)使得渦的尺度減小。邊子通道的流場(chǎng)經(jīng)過(guò)堵塞區(qū)會(huì)產(chǎn)生渦流，這些區(qū)域標(biāo)識(shí)于圖14圓圈處，這是由于圖14區(qū)域A與B噴射出的兩流體交匯，導(dǎo)致渦流產(chǎn)生，但由于A(yíng)處流通面積較大，導(dǎo)致渦有偏向中心通道的趨勢(shì)。中心子通道亦會(huì)因兩處B區(qū)域噴射的流體交匯1.5倍Dh內(nèi)產(chǎn)生回流，渦存在的區(qū)域均位于堵塞件下游3倍Dh以?xún)?nèi)。

圖12 截面2堵塞物下游不同Dh縱向速度(50%)Fig.12 Longitudinal velocity of the blockage downstream in section 2(50%)

圖13 截面1堵塞物下游速度矢量Fig.13 Velocity vector diagram of the blockage downstream in section 1

圖14 堵塞位置示意Fig.14 Block position diagram

相比于50%堵塞率工況，70%堵塞率堵塞物下游渦的范圍略小。一種解釋為：由于渦的范圍是由橫向與縱向速度綜合引起的，縱向速度高有利于增加渦范圍，橫向速度高有利于縮小渦范圍。二者耦合作用引起渦范圍變化，堵塞率的增加，使得橫縱速度都有所增加，但此情況下橫向速度對(duì)渦的影響占據(jù)主要作用，因此會(huì)產(chǎn)生此種現(xiàn)象。雷諾數(shù)提高也會(huì)造成渦范圍減小，說(shuō)明此時(shí)橫向速度仍占據(jù)了主導(dǎo)作用。另一種解釋為：雷諾數(shù)增加提高了流動(dòng)的湍流程度，從而使渦的尺度變小，但由于本實(shí)驗(yàn)雷諾數(shù)范圍變化有限，導(dǎo)致渦尺度改變有限。

將堵塞件截面2下游流線(xiàn)圖展示于圖15。邊子通道的流場(chǎng)經(jīng)過(guò)堵塞區(qū)會(huì)產(chǎn)生渦流，產(chǎn)生的渦流范圍同樣不會(huì)隨著雷諾數(shù)升高而明顯改變。邊通道的渦與回流區(qū)范圍略大于中心通道范圍，這是由于中心通道的流道面積小于邊通道流道面積。

圖15 截面2堵塞物下游流線(xiàn)Fig.15 Streamline of the blockage downstream in section 2

綜上，不同堵塞率堵塞物下游會(huì)產(chǎn)生渦流與回流的現(xiàn)象。渦的范圍受到橫向與縱向速度同時(shí)影響，隨著雷諾數(shù)增加，渦的范圍會(huì)有所減小。隨著堵塞率的增加，渦范圍亦會(huì)減小。渦主要出現(xiàn)在堵塞物下游3倍Dh以?xún)?nèi)，此區(qū)域橫向速度明顯提高，并會(huì)出現(xiàn)回流。

3.3 壓降特性分析

實(shí)驗(yàn)中測(cè)得了光棒通道內(nèi)沿程摩擦壓降，通過(guò)計(jì)算獲得棒束通道的摩擦阻力系數(shù)，將實(shí)驗(yàn)的計(jì)算結(jié)果與Cheng-Todreas[10]經(jīng)驗(yàn)公式、李興[11](不同燃料棒數(shù)、相同節(jié)距比)、閆超星[12](相同燃料棒數(shù)、不同節(jié)距比)等人的實(shí)驗(yàn)獲得的摩擦阻力系數(shù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖16所示。根據(jù)Cheng-Todreas所述，節(jié)距比為影響棒束通道沿程阻力系數(shù)的重要因素，因此本文沿程阻力系數(shù)在與李興等得出的結(jié)果相近。與閆超星等[13]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，由于本實(shí)驗(yàn)棒束通道的節(jié)距比大于閆超星棒束通道節(jié)距比，因此本實(shí)驗(yàn)測(cè)量的沿程阻力系數(shù)大于閆超星測(cè)量的沿程阻力系數(shù)。對(duì)比Cheng & Todreas經(jīng)典關(guān)系式，層流區(qū)內(nèi)關(guān)系式預(yù)測(cè)結(jié)果稍小于實(shí)驗(yàn)?zāi)Σ磷枇ο禂?shù)，然而隨著雷諾數(shù)的增加，當(dāng)雷諾數(shù)大于4 000時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與關(guān)系式相對(duì)誤差在5%以?xún)?nèi)。

圖17(a)展示了總壓降與沿程壓降隨雷諾數(shù)的變化情況。圖中可以看出堵塞件明顯的增加了總壓降，增加的這部分壓降即為局部壓降，堵塞率與局部壓降并不是線(xiàn)性變化的，局部壓降會(huì)在堵塞率大時(shí)增加更快。將70%與50%堵塞率的局部壓降作比值，該比值隨雷諾數(shù)的變化展示于圖17b，局部壓降比值于層流區(qū)不斷下降，經(jīng)轉(zhuǎn)捩點(diǎn)后回升，并在湍流區(qū)逐漸趨近于一定值。

圖16 沿程阻力系數(shù)分布Fig.16 Distribution of the resistance coefficient

圖17 壓降參數(shù)隨雷諾數(shù)變化Fig.17 The pressure drop in different Reynolds number

圖18展示了70%、50%堵塞局部阻力系數(shù)ζ隨雷諾數(shù)變化以及相關(guān)對(duì)比。由于堵塞率的增加導(dǎo)致壓降升高從而局部阻力系數(shù)ζ也變大。堵塞率增加了20%，局部阻力系數(shù)增加了約4倍，說(shuō)明局部阻力系數(shù)與堵塞率并不是線(xiàn)性增加的。將Kim[14]和Chun等[15]的定位格架局部阻力系數(shù)預(yù)測(cè)結(jié)果以及文獻(xiàn)[13]的定位格架局部阻力系數(shù)也繪于圖中。實(shí)驗(yàn)阻力系數(shù)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)處于Re=1100左右，本實(shí)驗(yàn)通道的節(jié)距比為1.326，根據(jù)Cheng & Todreas[11]提出的流態(tài)劃分準(zhǔn)則，可知層流向過(guò)渡流轉(zhuǎn)變的臨界雷諾數(shù)為1 076，二者較為吻合。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出的局部阻力系數(shù)，主要受流動(dòng)通道結(jié)構(gòu)以及堵塞物形狀的影響，實(shí)際情況中由于通道結(jié)構(gòu)和堵塞形式不同，具體結(jié)果會(huì)有一定差異，但是分布的規(guī)律是值得借鑒的。首先，隨著堵塞率的提高，同一雷諾數(shù)下的局部阻力系數(shù)會(huì)呈非線(xiàn)性快速增長(zhǎng)；其次，堵塞區(qū)的局部阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)變化具有一個(gè)轉(zhuǎn)捩點(diǎn)，該點(diǎn)即為層流向過(guò)渡流轉(zhuǎn)變的臨界雷諾數(shù)；最后，相比于定位格架局部阻力系數(shù)，堵塞產(chǎn)生的局部阻力系數(shù)大小其隨雷諾數(shù)的變化趨勢(shì)更為平緩，這是由于定位格架具有的攪渾裝置對(duì)于下游流體的運(yùn)動(dòng)形態(tài)會(huì)有較大影響，因此隨著雷諾數(shù)變化局部阻力變化會(huì)更明顯。而堵塞物不具有攪渾裝置，雖然流體流經(jīng)堵塞物后會(huì)產(chǎn)生渦以及回流的現(xiàn)象，但在湍流區(qū)內(nèi)雷諾數(shù)的增加對(duì)此類(lèi)現(xiàn)象影響的程度并不大，因此堵塞物局部阻力系數(shù)變化會(huì)較為平緩。

圖18 局部阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)變化對(duì)比Fig.18 Comparison of local resistance coefficient in different Reynolds number

4 結(jié)論

1) 流體在堵塞區(qū)下游由于慣性導(dǎo)致了動(dòng)能增加，使得在2～3倍Dh區(qū)域內(nèi)橫向流速提高明顯、縱向速度在5倍Dh區(qū)域也明顯提高；由于增加的動(dòng)能被不同尺度的渦旋耗散，出現(xiàn)堵塞物下游約10倍Dh后堵塞物對(duì)流場(chǎng)的影響逐漸消失的現(xiàn)象。

2) 由于堵塞件下游低壓區(qū)的作用，使得在堵塞區(qū)下游3倍Dh內(nèi)會(huì)產(chǎn)生渦流以及回流的現(xiàn)象；由于渦出現(xiàn)的范圍與尺度會(huì)隨堵塞物下游湍流程度增大而減小，使得堵塞物下游渦尺度隨著雷諾數(shù)和堵塞率的增加，均會(huì)呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。

3) 由于層流區(qū)與過(guò)渡區(qū)堵塞物下游流態(tài)對(duì)雷諾數(shù)變化的敏感度不同，使得出現(xiàn)堵塞件局部阻力系數(shù)于層流區(qū)下降明顯、于過(guò)渡區(qū)趨于平緩這一規(guī)律。