摘 要 對(duì)應(yīng)用于核電安全殼非能動(dòng)冷卻系統(tǒng)的分離式熱管上升管進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，探討同時(shí)改變上升管夾角和管徑比（分支管與主管管徑之比）或單獨(dú)改變管徑比兩種方案對(duì)管內(nèi)流動(dòng)阻力損失的影響。結(jié)果表明：上升管夾角越小，管內(nèi)阻力損失越少，夾角為20°時(shí)管內(nèi)阻力損失降低了7.48%；兩種優(yōu)化方案中管徑比分別為1∶1.55和1∶1.95的上升管阻力損失比改進(jìn)前的小，管徑比的不同對(duì)減少阻力損失的影響較大，最大降低了89.09%。

關(guān)鍵詞 分離式熱管換熱器 核電非能動(dòng)安全殼 上升管 結(jié)構(gòu)優(yōu)化 管內(nèi)流動(dòng)損失

中圖分類號(hào) TQ051.5? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A? ?文章編號(hào) 0254?6094（2023）02?0232?12

分離式熱管換熱器因具有不需要外界動(dòng)力就可以運(yùn)行的特點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于核電安全殼非能動(dòng)冷卻系統(tǒng)中［1～5］。分離式熱管蒸發(fā)段的一排管束對(duì)應(yīng)著冷卻水箱中冷凝段的一排管束，兩者用絕熱管道連接，有多少組這樣的管束就有多少根外接管道，外接管道的數(shù)量決定了核電安全殼上的開(kāi)孔數(shù)量，而開(kāi)孔數(shù)量越多，越容易削弱核電安全殼的強(qiáng)度，增加安全殼內(nèi)放射性物質(zhì)泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。

為更好地發(fā)揮分離式熱管換熱器在核電安全殼發(fā)生事故后的導(dǎo)熱能力，保證核電安全殼的安全性［6～8］，筆者以分離式熱管為研究對(duì)象，對(duì)其蒸發(fā)段與冷凝段的連接管道進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化改造，從而達(dá)到整合分離式熱管的外接管路、減少開(kāi)孔數(shù)量提高核電安全殼的可靠性和降低管內(nèi)阻力損失的目的。

1 計(jì)算模型

筆者提出了兩種改進(jìn)方案以減少管道數(shù)量，上升管結(jié)構(gòu)優(yōu)化示意圖如圖1所示。

方案一。直接將3根分支管與1根主管相連，形成斜四通管，在交匯處形成局部阻力，蒸汽通過(guò)上升主管流至冷凝段。

方案二。先將蒸發(fā)器3個(gè)獨(dú)立的上升管與1根匯總管相連，此處由于管道突然擴(kuò)大產(chǎn)生了局部阻力；蒸汽匯集后再流入1根上升主管（此處存在類似于三通接頭的局部阻力），上升主管再穿至安全殼外到達(dá)冷凝段。

在達(dá)到減少阻力損失目標(biāo)的同時(shí)，兩種改進(jìn)方案有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：減少安全殼上開(kāi)孔數(shù)量，提高其強(qiáng)度和密封性，進(jìn)而強(qiáng)化安全殼安全性；現(xiàn)場(chǎng)管道布置清晰明了，節(jié)省管材，從根本上節(jié)約設(shè)備的制造成本；減少焊接工作量。

1.1 幾何模型

以改進(jìn)后的上升管為研究對(duì)象，兩種優(yōu)化方案的幾何模型如圖2所示。方案一模型由3根分支管和1根上升主管組成，蒸汽從分支管進(jìn)入，在3根分支管交界處匯合后流入主管；方案二模型由3根上升分支管、匯總管和上升主管組成。蒸汽從分支管進(jìn)入，在匯總管匯集后從主管流出，為排除流體的不穩(wěn)定性對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，將分支管長(zhǎng)度取5D1，上升主管長(zhǎng)度取10D2，分支管規(guī)格為?140 mm×5 mm。直管均為無(wú)縫鋼管，絕對(duì)粗糙度在0.01～0.05 mm范圍內(nèi)，本次模擬絕對(duì)粗糙度取0.03 mm。

1.2 數(shù)學(xué)模型

研究對(duì)象為飽和蒸汽在管內(nèi)上升過(guò)程中的流動(dòng)，考慮上升管為絕熱管，管內(nèi)流體流動(dòng)不涉及傳熱過(guò)程，只通過(guò)連續(xù)性方程和動(dòng)量方程來(lái)描述流體流動(dòng)。為方便對(duì)改進(jìn)后上升管流動(dòng)情況進(jìn)行模擬分析，模擬過(guò)程中對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化和假設(shè)［9］：計(jì)算過(guò)程中忽略浮力和重力的影響；默認(rèn)入口處為飽和蒸汽；忽略管壁壁厚。

1.3 網(wǎng)格劃分

利用Meshing分別對(duì)兩種改進(jìn)后的上升管三維模型進(jìn)行非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格劃分，對(duì)管壁進(jìn)行網(wǎng)格局部加密以提高計(jì)算精度，網(wǎng)格劃分如圖3所示。

1.4 邊界條件設(shè)置

管內(nèi)流動(dòng)介質(zhì)為蒸汽，管內(nèi)不涉及傳熱過(guò)程，故不需要打開(kāi)能量方程，管內(nèi)流體在截面突變區(qū)域流動(dòng)較為復(fù)雜，湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k?ε湍流模型，設(shè)置速度進(jìn)口、壓力出口，無(wú)滑移絕熱壁面，壁面粗糙度設(shè)置為0.03 mm，其他設(shè)置保持默認(rèn)值，不存在傳熱過(guò)程，采用湍流強(qiáng)度和水力直徑來(lái)描述湍流狀態(tài)。求解方法選用SIMPLE算法，壓力項(xiàng)選用PRESTO！格式。

1.5 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

對(duì)改進(jìn)后兩種方案的上升管三維模型采取四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，計(jì)算4組不同網(wǎng)格數(shù)量下兩種改進(jìn)方案中上升管路的壓降以驗(yàn)證計(jì)算的準(zhǔn)確性，壓降隨不同網(wǎng)格數(shù)量的變化情況如圖4所示，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量越多時(shí)，壓降變化幅度越小，在不影響計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性的前提下，按方案一改進(jìn)的上升管選取網(wǎng)格數(shù)量為319 533的模型進(jìn)行計(jì)算，按方案二改進(jìn)的上升管選取網(wǎng)格數(shù)量為339 646的模型進(jìn)行計(jì)算。

2 改進(jìn)方案一數(shù)值模擬分析

對(duì)按照方案一改進(jìn)的上升管模型進(jìn)行數(shù)值模擬，分析不同夾角和管徑比（分支管與主管管徑之比）對(duì)四通管內(nèi)流動(dòng)特性和阻力損失的影響。取管徑比1∶1.55的四通管進(jìn)行管內(nèi)流動(dòng)模擬分析，入口流速15 m/s，分支管與主管夾角為20°，截取四通管中心截面速度云圖、速度矢量圖、壓力云圖和湍動(dòng)能圖進(jìn)行分析。圖5a為四通管中心截面速度云圖，圖中流體在分支管內(nèi)流動(dòng)穩(wěn)定，各個(gè)分支管內(nèi)流體向主管匯聚，且沿著主管入口方向速度逐漸增大，分支管與主管夾角較小，各分支管內(nèi)流體進(jìn)入主管過(guò)程中無(wú)明顯摻混現(xiàn)象，流速分布比較均勻，主管內(nèi)流體流速趨于穩(wěn)定。圖5b為四通管中心截面流體速度矢量圖，從圖中可以清晰地觀察到流體流動(dòng)軌跡和速度的變化，各個(gè)分支管內(nèi)流體在經(jīng)過(guò)分岔口時(shí)經(jīng)過(guò)相互摻混形成了主管內(nèi)的流體，兩側(cè)分支管內(nèi)的流體在匯入主管時(shí)，由于管道方向的改變，流體在沖撞壁面后流動(dòng)方向與中間分支管流體流動(dòng)方向形成一定夾角，故在分岔口處由于不同來(lái)流方向流體的撞擊，流體相互碰撞，加劇能量的傳遞與消耗，在交匯處和主管管壁處的湍動(dòng)強(qiáng)度較大。從圖5c可以看出，管內(nèi)壓力隨著流體流動(dòng)方向線性下降，分支管流道發(fā)生改變后，管內(nèi)流體碰撞管壁壓力增大；流體在分岔口匯合后，流體流通截面變大，壓力隨之減小，上升管內(nèi)壓力最小處出現(xiàn)在上升管主管入口近壁面處，進(jìn)入主管后管內(nèi)壓力趨于穩(wěn)定。從圖5d可以看出，分支管與主管夾角較小，管內(nèi)流體流動(dòng)狀態(tài)穩(wěn)定，各分支管內(nèi)流體流至分岔口時(shí)流體之間發(fā)生輕微擾動(dòng)，無(wú)劇烈撞擊，在各分支管內(nèi)流體相互交匯處產(chǎn)生了湍動(dòng)能；流體匯集后流入主管，流通截面突然縮小，流體間相互撞擊，湍動(dòng)能在主管入口管壁處最大。

2.1 夾角對(duì)上升管阻力損失的影響

在管徑比、流速均相同的情況下，分析不同夾角對(duì)管內(nèi)流體流動(dòng)特性和流動(dòng)阻力的影響。圖6為管徑比為1∶1.2、流速為15 m/s時(shí)，25、30、35、40°這4種夾角下上升管內(nèi)流體流動(dòng)速度云圖，從圖6中可以看出，夾角的變化對(duì)主管內(nèi)流體流速無(wú)明顯的影響，管內(nèi)速度變化較?。涣黧w流經(jīng)分岔口處，各分支管流體匯集，速度增大，隨著夾角的增大，分岔口處流體流動(dòng)狀態(tài)越不穩(wěn)定，流體流至主管處碰撞越激烈，因此加劇了能量的傳遞與消耗，故管內(nèi)的阻力損失隨著夾角的增大而變大；且流體與管壁產(chǎn)生的分離區(qū)域隨著夾角的增大而變大，即斜支管內(nèi)壁處速度為零的區(qū)域變大，主管入口處近壁面處的速度也因?yàn)楫a(chǎn)生了垂直于流動(dòng)方向的速度梯度而明顯小于遠(yuǎn)離壁面處流體的流速。

圖7為上升管內(nèi)流體流速矢量圖，從圖7中可以看出，夾角為25°和30°時(shí)的上升管，各分支管內(nèi)流體在分岔口交匯處無(wú)明顯摩擦與碰撞，流體流動(dòng)方向沒(méi)有發(fā)生明顯改變，管內(nèi)流體流動(dòng)較平穩(wěn)；夾角增大至35°和40°時(shí)，上升管分岔口處流體開(kāi)始出現(xiàn)輕微碰撞的現(xiàn)象，流體之間相互碰撞摻混的同時(shí)消耗機(jī)械能。隨著夾角的增大，機(jī)械能消耗得越多，阻力損失隨之增大。

圖8為4種夾角下上升管內(nèi)流體壓力云圖，流體流經(jīng)分岔口處壓力變化較大，3根分支管內(nèi)流體流經(jīng)分岔口處摻混嚴(yán)重，流速發(fā)生劇烈變化，流型不穩(wěn)定，產(chǎn)生了較大的局部損失，根據(jù)能量守恒原則，流體在流至分岔口處壓強(qiáng)迅速減小。

隨著夾角的增大，流體在管道形狀發(fā)生變化后流體逐漸脫離壁面，在斜支管內(nèi)出現(xiàn)了分離現(xiàn)象，且隨著夾角增大，分離區(qū)域越來(lái)越大，在分岔口處流體之間碰撞較為明顯，攪混現(xiàn)象較為嚴(yán)重；流體從分支管流至主管時(shí)由于流動(dòng)軌跡發(fā)生改變，夾角為25°時(shí)，上升管主管入口管壁處出現(xiàn)小區(qū)域的負(fù)壓現(xiàn)象，且隨著夾角的增大，主管入口管壁處負(fù)壓區(qū)域越來(lái)越大。結(jié)合圖9所示4種夾角下上升管內(nèi)流體的湍動(dòng)能圖，夾角大的上升管在流向發(fā)生改變時(shí)較夾角小的上升管產(chǎn)生的湍動(dòng)能大，當(dāng)流體從分支管進(jìn)入，經(jīng)過(guò)分岔口時(shí)各個(gè)分支管內(nèi)的流體相互撞擊摻混形成了主管內(nèi)的流體，由于流體間的相互作用，在主管管壁處湍動(dòng)能最大，隨著夾角的增大，流體在分岔口處的撞擊越激烈，對(duì)主管管壁處的湍動(dòng)能影響就越大，阻力損失較夾角小的管道要多。相反，夾角小的管道流體在流經(jīng)分岔口處，流動(dòng)方向相差不大，不會(huì)產(chǎn)生較明顯的碰撞，流速較為均勻，湍動(dòng)能小，故阻力損失較小。

圖10為不同夾角下上升管內(nèi)阻力損失與改進(jìn)前上升管阻力損失對(duì)比圖，由圖可以看出，速度不變時(shí)，管內(nèi)阻力損失隨著夾角的增大而略微增大，夾角的改變對(duì)管內(nèi)阻力損失的影響并不顯著，速度為15 m/s時(shí)，夾角為20°的上升管阻力損失為238.77 Pa，夾角為40°的上升管阻力損失為273.57 Pa，改進(jìn)前上升管阻力損失為258.06 Pa；夾角為20°的上升管比夾角為40°的上升管阻力損失減少了12.7%，比改進(jìn)前上升管阻力損失減少了7.48%；速度為25 m/s時(shí)，夾角為20°的上升管阻力損失為679.63 Pa，比速度為15 m/s時(shí)阻力損失增大了1.85倍；可以得出夾角相同時(shí)，速度越大，管內(nèi)阻力損失明顯增大。由阻力損失公式可以看出，管內(nèi)阻力損失與速度的平方成正比。對(duì)比改進(jìn)前上升管的阻力損失可以看出，夾角為40°時(shí)管內(nèi)阻力損失大于改進(jìn)前的阻力損失，其余3種夾角下的管內(nèi)阻力損失均小于改進(jìn)前管內(nèi)的阻力損失，夾角越小，阻力損失越小，因此對(duì)于改進(jìn)后的上升管應(yīng)盡量選取夾角小的上升管來(lái)減少阻力損失。

2.2 管徑比對(duì)上升管阻力損失的影響

當(dāng)夾角與流速不變時(shí)，分析不同管徑比對(duì)管內(nèi)流動(dòng)阻力損失的影響。圖11為不同管徑比上升管中心截面速度云圖，可以看出，出口處的速度隨著管徑比的增大而減小，管徑比越大，主管的流通面積越大，在總流量不變的情況下，主管內(nèi)流體流速隨著流通面積的增大而減小；兩側(cè)分支管形狀發(fā)生改變后，流體流動(dòng)方向隨之發(fā)生改變，導(dǎo)致分支管靠近內(nèi)側(cè)的管壁流體流動(dòng)出現(xiàn)分離區(qū)，同種現(xiàn)象也出現(xiàn)在主管入口處管壁兩側(cè)，且隨著管徑比的增大，主管管壁處分離現(xiàn)象越明顯，導(dǎo)致管子近壁面處流體的速度明顯小于遠(yuǎn)離壁面處流體的速度。圖12為不同管徑比上升管內(nèi)流體速度矢量圖，從圖中可以看出，不同管徑比下的上升管內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)方向基本上是沿著上升管的軸向方向進(jìn)行流動(dòng)，分支管與主管之間有斜支管過(guò)渡，運(yùn)動(dòng)比較平穩(wěn)，各分支管內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)無(wú)明顯的碰撞和回流的現(xiàn)象。管徑比為1∶1時(shí)，流體從分支管流入主管后，主管內(nèi)速度分布均勻，管徑比為1∶1.2時(shí)，分支管內(nèi)流體按原來(lái)的流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)入主管，隨著主管管徑的增大，導(dǎo)致主管內(nèi)壁面速度小于管內(nèi)中心速度，管徑比為1∶1.55時(shí)，此種現(xiàn)象更加顯著，流體從管徑小的分支管流入管徑大的主管時(shí)，在分岔口處流體的碰撞產(chǎn)生了其他方向的分速度，造成了一定的流動(dòng)損失；管內(nèi)總流量不變，主管內(nèi)速度隨著管徑比的增大而減?。挥捎诹魍◣缀谓Y(jié)構(gòu)變化和主管管徑的增大，在垂直于主管流體流動(dòng)方向上產(chǎn)生了明顯的速度梯度，導(dǎo)致主管入口處近壁面流體速度相對(duì)較小。

圖13為不同管徑比上升管中心截面壓力云圖，圖14為不同管徑比上升管中心截面湍動(dòng)能圖。從圖13壓力云圖中可以看出，在管徑比變大的過(guò)程中，上升管內(nèi)壓力分布處于均勻狀態(tài)，管徑比的變化對(duì)上升管進(jìn)出口的壓力分布影響不大，在分支管與主管交叉處壓力有明顯的隨著管徑比的增大而降低的趨勢(shì)。管徑比為1∶1時(shí)的上升管管內(nèi)壓降為536.6 Pa，管徑比為1∶1.55的上升管管內(nèi)壓降為78.9 Pa，說(shuō)明管徑比越大，管內(nèi)壓降越小，管內(nèi)阻力損失則越小。當(dāng)管徑比變大時(shí)，管內(nèi)流體總流量不變，主管內(nèi)流體流速減小，降低了流體對(duì)管壁的摩擦，使得壓降減小。從圖14湍動(dòng)能圖中可以看出，管徑比越大，湍動(dòng)能越小。當(dāng)管徑比為1∶1時(shí)，斜支管內(nèi)壁面與主管入口處內(nèi)壁面產(chǎn)生了較大的湍動(dòng)能，產(chǎn)生的區(qū)域較小，管徑比為1∶1.55時(shí)，斜支管內(nèi)壁面與主管入口處內(nèi)壁面較大區(qū)域產(chǎn)生了湍動(dòng)能，近壁面處的湍動(dòng)能小于遠(yuǎn)壁面處的湍動(dòng)能，與壓力云圖結(jié)果相符合，管徑比越大，阻力損失越小。

圖15為改進(jìn)后不同管徑比上升管與改進(jìn)前上升管阻力損失對(duì)比圖，從圖中可以看出，同等速度下，分支管與主管的管徑比越大，管內(nèi)阻力損失越小，速度為15 m/s時(shí)，管徑比為1∶1的上升管阻力損失為535.6 Pa，管徑比為1∶1.95的上升管阻力損失為48.15 Pa，阻力損失大幅降低；管徑比相同的情況下，流速越大，阻力損失越大，且隨著管徑比的增大，阻力損失增大趨勢(shì)隨著流速的增大改變不大。改進(jìn)后上升管管徑比為1∶1和1∶1.2時(shí)，管內(nèi)阻力損失大于改進(jìn)前阻力損失，改進(jìn)后上升管管徑比為1∶1.55和1∶1.95時(shí)，管內(nèi)阻力損失小于改進(jìn)前阻力損失；速度為15 m/s時(shí)，分支管與主管管徑比為1∶1.55 和1∶1.95時(shí)，阻力損失分別為78.87、28.16 Pa，與改進(jìn)前上升管阻力損失相比分別減少了69.44%、89.09%，管內(nèi)阻力損失明顯小于改進(jìn)前的上升管阻力損失，兩種管徑比下減少的阻力損失相差不大，因此根據(jù)現(xiàn)實(shí)情況選取合適的管徑比可以有效地減少上升管內(nèi)的阻力損失。

3 改進(jìn)方案二數(shù)值模擬分析

3.1 管徑比對(duì)流體流動(dòng)情況的影響

對(duì)管徑比為1∶1.2、1∶1.55、1∶1.95的上升管進(jìn)行數(shù)值模擬，分析管內(nèi)流體的流動(dòng)特性和阻力損失。對(duì)上升管中心截面處的流體流動(dòng)情況進(jìn)行分析，圖16為不同管徑比上升管中心截面的速度分布云圖。從圖16上升管中心截面速度分布云圖中可以看出，流體在分支管內(nèi)流動(dòng)穩(wěn)定，各個(gè)分支管內(nèi)流體在匯總管聚集，流通截面突然擴(kuò)大，速度減小，匯總管兩端速度明顯低于流體主流速度，流體從匯總管進(jìn)入主管，流通截面突然縮小，在主管入口處速度明顯增大，管內(nèi)速度最大區(qū)域出現(xiàn)在主管入口處，在主管入口兩側(cè)壁面流速明顯小于管內(nèi)中心處速度，流體在主管上升過(guò)程中流速趨于穩(wěn)定。隨著管徑比的增大，匯總管和主管內(nèi)速度均有所減小，管徑比為1∶1.95時(shí)，主管入口處速度與分支管內(nèi)速度無(wú)明顯增大現(xiàn)象。圖17為不同管徑比上升管中心截面速度矢量圖，從圖中可以清晰地觀察到管內(nèi)流體的流動(dòng)軌跡。流體進(jìn)入?yún)R總管由于速度較大，兩側(cè)上升管內(nèi)的流體沖擊匯總管上部，一部分流體流至匯總管端部形成漩渦區(qū)，故兩端速度較慢，另一部分流體與中間上升管內(nèi)流體匯集一起流入上升管主管，由于流速較大，兩側(cè)流體在進(jìn)入主管時(shí)由于管道結(jié)構(gòu)的變化導(dǎo)致流體流動(dòng)方向向中心傾斜，導(dǎo)致主管入口處近壁面處小于遠(yuǎn)離壁面處流體速度。兩側(cè)分支管內(nèi)流體撞擊匯總管上壁后流體方向發(fā)生改變，運(yùn)動(dòng)方向由豎直運(yùn)動(dòng)慢慢過(guò)渡到水平方向，與從中間分支管流出的流體在主管入口處相遇發(fā)生碰撞，故主管入口處的流體運(yùn)動(dòng)軌跡較為復(fù)雜，且隨著管徑比的增大，主管入口處的流體運(yùn)動(dòng)趨于平穩(wěn)。

3.2 管徑比對(duì)管內(nèi)壓力的影響

圖18為不同管徑比上升管內(nèi)中心截面壓力云圖，分支管和主管管內(nèi)壓力比較穩(wěn)定，連接分支管和主管的匯總管結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化，流體在流至匯總管時(shí)，流通面積突然增大，管內(nèi)壓力逐漸降低，由于流體與管壁發(fā)生碰撞摩擦，在匯總管內(nèi)下壁面壓力較小，上壁面出現(xiàn)局部壓力增大現(xiàn)象，此處主要克服因幾何形狀變化而產(chǎn)生的局部阻力。在蒸汽從分支管流進(jìn)主管后，在主管入口壁面處形成了低壓回流區(qū)，靠近壁面處管內(nèi)壓力明顯小于主管內(nèi)其他區(qū)域壓力，隨著管徑比的增大，上升管內(nèi)進(jìn)出口壓力隨之減小，這主要是因幾何形狀發(fā)生改變而產(chǎn)生局部阻力損失，因此，管徑比越大，管內(nèi)產(chǎn)生的局部阻力損失越少。改進(jìn)后上升管結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化會(huì)影響蒸汽在管道內(nèi)的流動(dòng)情況，流體流速也會(huì)影響管內(nèi)的局部阻力，流速增大會(huì)使管內(nèi)局部阻力增大，基于改進(jìn)后的上升管，分析不同管徑比上升管內(nèi)阻力損失。

3.3 管徑比對(duì)湍動(dòng)能的影響

從圖19不同管徑比上升管湍動(dòng)能圖中可以看出，管徑比為1∶1.2時(shí)，各分支管的流體在匯總管內(nèi)交匯，流動(dòng)出現(xiàn)輕微的碰撞，產(chǎn)生了較小的湍動(dòng)能，流體匯集后進(jìn)入主管，流通截面突然縮小，在主管入口近壁面處出現(xiàn)了回流區(qū)域，流動(dòng)出現(xiàn)不穩(wěn)定情況，此處產(chǎn)生了較大的湍動(dòng)能，最大約為194 m2/s2，管徑比為1∶1.55的上升管湍動(dòng)能最大約82 194 m2/s2，管徑比為1∶1.95的上升管湍動(dòng)能最大約為35 m2/s2，可以看出管內(nèi)湍動(dòng)能隨著管徑比的增大而減小，管內(nèi)阻力損失也隨之減小。

3.4 管徑比對(duì)阻力損失的影響

為了分析上升管管徑比對(duì)整體上升管的流動(dòng)阻力性能影響，在確保其他參數(shù)相同的情況下，對(duì)不同管徑比的上升管進(jìn)行數(shù)值模擬分析，不同管徑比的上升管在不同入口流體速度下的阻力損失如圖20所示。從圖20中可以看出，管徑比為1∶1.2的上升管內(nèi)阻力損失比改進(jìn)前原模型阻力損失大，當(dāng)速度為15 m/s時(shí)，管徑比為1∶1.2的上升管阻力損失為473.74 Pa，改進(jìn)前的阻力損失為258.06 Pa，與改進(jìn)前的上升管相比，阻力損失增加了83.58%，；速度增大后管徑比為1∶1.2的上升管阻力損失分別為647.55、842.90、1 060.77、1 315.27 Pa，因此上升管管內(nèi)阻力損失隨著速度的增大而增大。管徑比為1∶1.55和1∶1.95時(shí)，改進(jìn)的上升管阻力損失比改進(jìn)前的阻力損失小，速度為15 m/s時(shí)，管徑比為1∶1.55和1∶1.95的上升管內(nèi)阻力損失分別為160.08、59.94 Pa，比改進(jìn)前上升管阻力損失減少了37.97%、76.77%，管內(nèi)阻力損失大幅降低，可以得出只要管徑比相對(duì)大，這種改進(jìn)方法能夠有效地減少阻力損失。

方案一上升管夾角對(duì)管內(nèi)阻力損失影響較小，為了比較兩種方案，忽略?shī)A角對(duì)阻力損失的影響，由圖15和圖20可以看出，速度為15 m/s，管徑比分別為1∶1.55和1∶1.95時(shí)，方案一上升管比方案二上升管阻力損失分別減少了50.73%、52.02%，且方案二上升管內(nèi)沖刷嚴(yán)重，因此按方案一改進(jìn)的上升管比方案二上升管好。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)模擬分析改進(jìn)后的兩種上升管模型，分析其結(jié)構(gòu)變化對(duì)管內(nèi)流動(dòng)特性及阻力損失的影響，與改進(jìn)前后上升管的阻力損失進(jìn)行對(duì)比，得出按方案一改進(jìn)的上升管管徑比為1∶1.55時(shí)，上升管阻力損失比改進(jìn)前的上升管阻力損失??；夾角小于等于30°時(shí)，管內(nèi)阻力損失小于改進(jìn)前上升管阻力損失，由此證明選擇合適的管徑比和夾角，按照方案一改進(jìn)后的上升管是可以減小阻力損失的。按方案二改進(jìn)的上升管選取合適的管徑比也能達(dá)到相似的效果。改進(jìn)后的上升管結(jié)構(gòu)可以替代原上升管，一方面減少了分離式熱管的連接管路數(shù)量，節(jié)省管材；另一方面安全殼上的開(kāi)孔數(shù)量大量減少，有效提高安全殼的密封性和安全性，確保非能動(dòng)冷卻系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

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（收稿日期：2022-06-03，修回日期：2023-03-18）

Structural Optimization of Separated Heat Pipe Riser in Passive Containment Cooling System of Nuclear Power Plant

WU Qiong

（College of Mechanical and Power Engineering， Nanjing Tech University）

Abstract? ?In this paper， the structure of separated heat pipes riser pipe applied in the passive cooling system of the nuclear power containment was optimized. In addition， improving the riser pipes included angle and the diameter ratio （the ratio of branch pipe to main pipe diameter） or changing the diameter ratio of pipe was discussed to investigate their influence on in?pipe flow resistance loss. The result shows that， the smaller included angle can result in less in?pipe flow resistance loss. When the included angle is 20°， the in?pipe flow loss can be reduced by 7.48%. In the two optimal schemes， the flow resistance loss from the riser pipe with a diameter ratio of 1∶1.55 and 1∶1.95 respectively is smaller than that from the original riser pipe. The difference of diameter ratio has a great influence on reducing the flow resistance loss， with a maximum reduction of 89.09%.

Key words? ? separate heat pipe heat exchanger， nuclear power passive containment， riser pipe， structure optimization， in?pipe flow resistance loss

作者簡(jiǎn)介：吳瓊（1998-），碩士研究生，從事?lián)Q熱器、熱管的研究，1913908572@qq.com。

引用本文：吳瓊.核電非能動(dòng)安全殼冷卻系統(tǒng)分離式熱管上升管結(jié)構(gòu)優(yōu)化［J］.化工機(jī)械，2023，50（2）：232-243.