堵塞條件下緊密柵湍流交混特性研究

郝思佳，喬守旭,*，祁沛垚，鐘文義，譚思超，王嘯宇

(1.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；2.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，四川 成都 610213)

目前許多國(guó)家設(shè)計(jì)的反應(yīng)堆堆芯都采用緊密布置的棒束燃料元件，這種緊密柵將提高238U的轉(zhuǎn)化率，從而提高燃料的利用率[1]。但由于這種布置形式的棒間距較窄，因此較傳統(tǒng)棒束更易發(fā)生堵塞事故。堵塞事故會(huì)明顯改變堵塞下游流場(chǎng)形態(tài)，進(jìn)而影響傳熱傳質(zhì)特性，因此有必要對(duì)緊密柵堵塞工況下的流動(dòng)情況展開(kāi)研究。此外，研究堵塞工況湍流交混系數(shù)的分布規(guī)律，對(duì)于子通道分析程序的發(fā)展也有一定工程意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)緊密柵流體的流動(dòng)特性已進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)與仿真研究。Rowe[2]對(duì)棒束子通道內(nèi)軸向速度與湍流強(qiáng)度進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，節(jié)距比是影響子通道內(nèi)流動(dòng)特性的重要參數(shù)。Hooper[3]和Rehme[4]發(fā)現(xiàn)緊密柵在棒間隙具有強(qiáng)烈的動(dòng)量能量交換。Lee等[5]采用激光診斷技術(shù)對(duì)緊密柵流場(chǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果強(qiáng)調(diào)了湍流交混在緊密柵中的必要性。Baglietto等[6]的仿真研究結(jié)果表明，各向異性湍流模型可真實(shí)再現(xiàn)緊密柵的流動(dòng)特性。Chang等[7]模擬了37棒束通道充分發(fā)展流動(dòng)，模擬所得速度和雷諾應(yīng)力結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好。顧漢洋等[8-9]利用不同湍流模型對(duì)緊密柵流動(dòng)進(jìn)行了仿真研究，結(jié)果表明，SSG雷諾應(yīng)力模型對(duì)緊密柵流動(dòng)有較好的模擬。何斯琪等[10]對(duì)緊密柵定位格架下游流場(chǎng)的交混特性進(jìn)行了仿真研究。

目前有關(guān)緊密柵流動(dòng)的研究主要集中于光棒流場(chǎng)，針對(duì)此類型元件堵塞工況流動(dòng)的研究鮮有報(bào)道。因此本文擬采用CFD方法研究不同子通道堵塞對(duì)流場(chǎng)及湍流交混系數(shù)的影響。

1 幾何模型與網(wǎng)格劃分

1.1 幾何模型

采用完整的通道截面作為計(jì)算模型進(jìn)行三維CFD流動(dòng)計(jì)算，棒外徑為15 mm，棒間距為16.4 mm，通道長(zhǎng)寬均為84 mm，棒束呈5×5正方形排列，模型總高度為800 mm。此幾何尺寸依據(jù)文獻(xiàn)[11-12]中尺寸范圍進(jìn)行選取，屬于緊密柵尺寸范圍，在此范圍內(nèi)不同尺寸元件堵塞下游流動(dòng)的交混系數(shù)在數(shù)值上會(huì)有一定區(qū)別，但變化的趨勢(shì)基本相似并具有一定借鑒意義。模型分為堵塞上游、堵塞段、堵塞下游3部分，并比較3組不同工況。第1組為不同子通道堵塞工況，此工況建立了3種堵塞模型：中心通道堵塞、邊通道堵塞、角通道堵塞，3種堵塞長(zhǎng)度均為4 cm。第2組為不同堵塞率堵塞工況，此工況建立了3種堵塞模型：子通道100%堵塞、子通道50%堵塞、子通道25%堵塞，3種堵塞長(zhǎng)度均為4 cm。第3組為不同堵塞長(zhǎng)度堵塞工況，堵塞位置均為中心通道，此工況建立了3種堵塞模型：堵塞長(zhǎng)度4 cm、堵塞長(zhǎng)度2 cm、堵塞長(zhǎng)度1 cm，此3種模型僅長(zhǎng)度不同而形狀與中心通道堵塞模型相同。每組工況坐標(biāo)系原點(diǎn)均選在入口截面中心位置，流動(dòng)方向?yàn)閥軸正方向，通道幾何模型示意圖及堵塞模型如圖1所示。

分析區(qū)域的橫截面示意圖如圖2所示，5×5緊密柵共有60個(gè)子通道間隙(G1～G60)，為便于分析堵塞區(qū)下游子通道交混特性，選取堵塞位置所處子通道中心連線L1、L2、L3、L4來(lái)分析堵塞區(qū)下游不同高度處的速度分布。

1.2 網(wǎng)格劃分與無(wú)關(guān)性分析

采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為保證網(wǎng)格無(wú)關(guān)性，建立了3種網(wǎng)格模型，網(wǎng)格主要參數(shù)設(shè)置列于表1。湍流模型采用文獻(xiàn)[13-15]推薦的SSG雷諾應(yīng)力模型，該模型考慮了通道中流體湍流流動(dòng)的各向異性、流線型曲率、應(yīng)力突變和二次流的影響，能較好模擬緊密柵流動(dòng)。入口設(shè)置為速度入口，出口設(shè)置為壓力出口，壁面采用無(wú)滑移條件，y+值小于5。采用SIMPLEC算法對(duì)壓力-速度耦合計(jì)算，動(dòng)量方程采用二階中心差分離散。網(wǎng)格劃分示意圖如圖3所示。

所選取堵塞下游1Dh(Dh為水力直徑)處的主要參數(shù)示于圖4，圖4a為橫坐標(biāo)無(wú)量綱后的G25位置雷諾應(yīng)力(uu)對(duì)比，圖4b為L(zhǎng)1的軸向速度W對(duì)比。由圖4可見(jiàn)，3種方案的預(yù)測(cè)趨勢(shì)較為一致，但方案1在計(jì)算精度上存在較大誤差，方案3計(jì)算精度較高但耗時(shí)較長(zhǎng)。而方案2與方案3的計(jì)算結(jié)果有良好的符合度，定量偏差較小，綜合考慮計(jì)算精度與計(jì)算代價(jià)，選取方案2進(jìn)行計(jì)算。

圖1 通道幾何模型示意圖

圖2 主要分析區(qū)域橫截面示意圖

表1 主要網(wǎng)格參數(shù)

圖3 計(jì)算截面網(wǎng)格劃分

圖4 網(wǎng)格敏感性分析

2 分析方法與結(jié)果對(duì)比

2.1 處理方法與驗(yàn)證

本文主要對(duì)湍流交混系數(shù)進(jìn)行分析。所研究的速度工況處于過(guò)渡區(qū)與湍流區(qū)，入口雷諾數(shù)Re=3 000、6 000、10 000、20 000、30 000、40 000。參照廣泛用于子通道分析程序定義方法來(lái)計(jì)算湍流交混系數(shù)β[16-17]，如式(1)所示。平均速度脈動(dòng)與雷諾應(yīng)力的關(guān)系由式(2)、(3)計(jì)算。不同方向雷諾應(yīng)力可由脈動(dòng)速度均方根計(jì)算，如式(4)所示。

(1)

(2)

(3)

uu=ρURMSURMS；vv=ρVRMSVRMS；

ww=ρWRMSWRMS

(4)

為驗(yàn)證模擬算法的準(zhǔn)確性，將計(jì)算結(jié)果與相應(yīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果和現(xiàn)有文獻(xiàn)結(jié)果分別進(jìn)行對(duì)比。圖5a為實(shí)驗(yàn)速度與模擬速度對(duì)比結(jié)果，二者吻合較好。圖5b為仿真結(jié)果與文獻(xiàn)[9]結(jié)果的對(duì)比。二者通道結(jié)構(gòu)相同，但棒尺寸與節(jié)距比(P/D)存在微小差異，為方便對(duì)比，橫坐標(biāo)根據(jù)棒間隙長(zhǎng)度進(jìn)行了無(wú)量綱化，軸向速度根據(jù)主流速度進(jìn)行無(wú)量綱化。圖中示出了棒周向0°與45°流體的軸向速度，可看出本文仿真結(jié)果與文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果均吻合較好。由以上對(duì)比計(jì)算得出速度的不確定度低于10%。

2.2 不同子通道堵塞交混程度對(duì)比

控制不同子通道堵塞作為自變量、堵塞率均為100%，對(duì)比了3種子通道堵塞工況，即中心通道完全堵塞、邊通道完全堵塞、角通道完全堵塞。

選取過(guò)渡流(Re=6 000)和湍流(Re=30 000)兩流態(tài)下工況速度場(chǎng)結(jié)果進(jìn)行分析。圖6為兩工況下中心通道堵塞區(qū)下游不同水力直徑(Dh)軸向速度云圖以及L1位置軸向、橫向速度線圖。圖中按與堵塞段距離選取檢測(cè)的軸向位置，用Dh的整數(shù)倍計(jì)量，1Dh即為此處距堵塞段出口平面1倍水力直徑長(zhǎng)度。從影響范圍看，堵塞段的主要影響范圍是堵塞物周?chē)噜彽淖油ǖ?，其余子通道的橫向速度與軸向速度與光棒流場(chǎng)相差不大。從橫向速度在堵塞物下游附近流向相反可知，堵塞物所在子通道相鄰子通道流體會(huì)在堵塞段下游流向堵塞子通道。堵塞位置下游2Dh處存在回流區(qū)域，橫向速度在4Dh內(nèi)會(huì)逐漸增加到出現(xiàn)最值，之后會(huì)逐漸減小至光棒橫向速度。橫向速度在約10Dh內(nèi)恢復(fù)較快，之后逐漸趨于光棒分布。從雷諾數(shù)的變化看，雷諾數(shù)改變不會(huì)對(duì)堵塞物下游流場(chǎng)分布規(guī)律產(chǎn)生明顯影響。同時(shí)，堵塞物的存在也會(huì)導(dǎo)致下游較近位置當(dāng)?shù)乩字Z數(shù)減小。

圖5 仿真結(jié)果驗(yàn)證

圖6 流體速度分布

相比于中心通道完全堵塞，邊通道完全堵塞工況堵塞段下游流體恢復(fù)至光棒速度所需的距離略近，但相差不大。從影響范圍看，堵塞段的主要影響范圍同樣是堵塞物所在子通道及其相鄰的子通道，邊通道有3個(gè)相鄰子通道，角通道有2個(gè)相鄰子通道，速度的主要變化區(qū)域集中于此范圍內(nèi)。從軸向看，堵塞位置下游2Dh處存在回流區(qū)域，橫向速度在4Dh內(nèi)會(huì)逐漸增加到出現(xiàn)最值，之后逐漸趨于光棒速度。從雷諾數(shù)變化看，雷諾數(shù)改變不會(huì)對(duì)堵塞物下游流場(chǎng)分布規(guī)律產(chǎn)生明顯影響。由于主要現(xiàn)象與中心子通道堵塞基本相同，因此結(jié)果不再加以展示。

為分析堵塞下游渦結(jié)構(gòu)，提取渦核于圖中紅線區(qū)域，如圖7所示。從徑向看，渦核所在范圍集中于堵塞物下游所在子通道，周?chē)油ǖ啦o(wú)渦核存在；從軸向看，中心通道堵塞渦核范圍位于堵塞段下游(1～3)Dh范圍內(nèi)，邊通道渦核范圍位于(0.5～3)Dh范圍內(nèi)，角通道渦核范圍位于(0.5～2.5)Dh范圍內(nèi)，反映了3種堵塞工況下游渦核區(qū)域逐漸靠近堵塞段，這一現(xiàn)象可能是由于通道壁面效應(yīng)導(dǎo)致的。此外，不同子通道堵塞物下游的渦分布不同：中心子通道堵塞物下游燃料棒周?chē)嬖?個(gè)主要的渦結(jié)構(gòu)，邊子通道為4個(gè)，角子通道為2個(gè)。渦的存在主要是由于堵塞物下游周?chē)油ǖ懒黧w進(jìn)入堵塞的子通道，流動(dòng)方向不同的兩股流體會(huì)在棒壁面與x軸或z軸夾角45°附近交匯，從而產(chǎn)生渦結(jié)構(gòu)。

a——中心通道堵塞；b——邊通道堵塞；c——角通道堵塞

中心通道堵塞下游不同高度處子通道間隙的湍流交混系數(shù)示于圖8，所檢測(cè)子通道間隙位置均標(biāo)識(shí)于圖中。在過(guò)渡流與湍流區(qū)內(nèi)，雷諾數(shù)的改變對(duì)下游交混系數(shù)分布規(guī)律的影響不大，這與前文速度對(duì)比的結(jié)果相似，雷諾數(shù)主要影響正常工況流體的交混系數(shù)。定性來(lái)看，堵塞物所在子通道間隙(G25)的湍流交混系數(shù)會(huì)在堵塞下游3Dh內(nèi)有所升高，這是由于此范圍內(nèi)存在宏觀的渦結(jié)構(gòu)，使得此處湍流交混增強(qiáng)。之后湍流交混系數(shù)會(huì)在約15Dh內(nèi)快速下降，之后緩慢趨近于正常工況。對(duì)于堵塞物所在相鄰的子通道間隙(G36)，其湍流交混系數(shù)會(huì)略高于正常工況，在3Dh內(nèi)快速下降，之后緩慢趨近于正常工況。對(duì)于其余的子通道間隙(G47、G49)，其湍流交混系數(shù)會(huì)在3Dh內(nèi)快速下降至接近于正常工況。定量來(lái)看，堵塞物所在子通道間隙湍流交混系數(shù)最大會(huì)增至正常湍流交混系數(shù)的3倍左右，其相鄰子通道湍流交混系數(shù)最大會(huì)增至正常工況的1.5倍以內(nèi)，其余子通道增幅會(huì)更低。

圖8 中心通道堵塞下游不同位置交混系數(shù)

圖9 邊通道堵塞下游不同位置交混系數(shù)

由于過(guò)渡區(qū)與湍流區(qū)雷諾數(shù)的改變對(duì)湍流交混系數(shù)分布規(guī)律影響不大，因此僅將Re=30 000時(shí)邊通道堵塞下游不同高度處子通道間隙的湍流交混系數(shù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果示于圖9。堵塞物所在子通道間隙的湍流交混系數(shù)會(huì)在堵塞下游3Dh內(nèi)有所增加，其中G7湍流交混系數(shù)增長(zhǎng)的范圍較G2小，這可能是由于兩間隙位于不同子通道導(dǎo)致的。相鄰子通道間隙(G3、G6、G8、G13、G18)的湍流交混系數(shù)，在堵塞下游一定范圍內(nèi)由于所在子通道間隙不同會(huì)呈現(xiàn)不同的分布，但總體來(lái)說(shuō)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)最大值之后緩慢下降至正常工況。其余子通道間隙(G16、G24)的湍流交混系數(shù)變化規(guī)律較為一致，均會(huì)在3Dh內(nèi)快速下降至正常工況。定量來(lái)看，堵塞物所在子通道間隙湍流交混系數(shù)最大會(huì)增至正常湍流交混系數(shù)的2倍，增加幅度低于中心通道堵塞，這體現(xiàn)了壁面的抑制作用。

角通道堵塞段下游不同子通道間隙的變化規(guī)律與中心通道堵塞、邊通道堵塞的變化規(guī)律相似，因此不再展示具體結(jié)果。定量來(lái)看，堵塞物所在子通道間隙湍流交混系數(shù)最大會(huì)增至正常湍流交混系數(shù)的2倍左右，其相鄰子通道湍流交混系數(shù)最大會(huì)增至正常工況的1.5倍以內(nèi)，其余子通道增加幅度會(huì)更低。角通道堵塞相比于中心通道堵塞交混系數(shù)增長(zhǎng)幅度減弱，這可能是由于通道壁面的抑制導(dǎo)致的。

綜上分析，在堵塞下游，堵塞物主要會(huì)影響堵塞子通道及其相鄰子通道的湍流交混系數(shù)，堵塞物所處子通道間隙的湍流交混系數(shù)會(huì)在堵塞下游增加為光棒湍流交混系數(shù)的2～3倍，這一增幅隨雷諾數(shù)的增加而減弱。若堵塞位置靠近邊角通道，則湍流交混會(huì)受到通道壁面抑制。

2.3 不同堵塞率交混程度對(duì)比

控制不同子通道堵塞率作為自變量，選取的堵塞子通道均為中心通道，對(duì)比了3種子通道堵塞工況，即中心通道100%堵塞、中心通道50%堵塞、中心通道25%堵塞。

選取過(guò)渡流(Re=6 000)和湍流(Re=30 000)兩流態(tài)工況下速度場(chǎng)結(jié)果進(jìn)行分析，圖10為兩工況下中心通道堵塞段及堵塞下游不同水力直徑軸向速度云圖。從橫向影響范圍看，堵塞段的主要影響范圍同樣集中在堵塞物所在子通道及其相鄰的子通道，但隨著堵塞率的減小，對(duì)流場(chǎng)的影響程度與范圍也會(huì)減小。從縱向影響范圍看，隨著堵塞率的不斷降低，下游流場(chǎng)恢復(fù)至正常工況流場(chǎng)的距離更短。在堵塞率較小時(shí)，堵塞物周?chē)投氯锵掠蔚臏u尺度同樣會(huì)減小，渦的尺度也與堵塞物形狀有關(guān)。從雷諾數(shù)的變化看，在過(guò)渡區(qū)與湍流區(qū)，雷諾數(shù)的改變不會(huì)對(duì)堵塞物下游流場(chǎng)分布規(guī)律產(chǎn)生明顯影響。同時(shí)，隨著堵塞率的增加，堵塞下游附近流體的當(dāng)?shù)乩字Z數(shù)會(huì)逐漸減小，這體現(xiàn)了堵塞物對(duì)流場(chǎng)的擾動(dòng)。

圖10 不同堵塞率下的流體速度云圖

為分析堵塞下游渦結(jié)構(gòu)，提取渦核于圖中紅線區(qū)域，如圖11所示。從徑向看，渦核所在范圍集中于堵塞物下游正下方，其余位置并無(wú)渦核存在，由于棒間隙流體的壓力較高、子通道中心流體壓力較低，因此流體流動(dòng)的方向主要是由壓力更高的棒間隙流體沿棒周向匯入堵塞物正下方區(qū)域；從軸向看，中心通道100%堵塞時(shí)渦核范圍位于堵塞段下游(1～3)Dh范圍內(nèi)，50%堵塞時(shí)渦核范圍位于(0.5～2)Dh范圍內(nèi)，角通道渦核范圍位于(0～1)Dh范圍內(nèi)，這說(shuō)明隨著堵塞率的降低，渦出現(xiàn)的范圍逐漸靠近堵塞段，且渦尺度也會(huì)隨之下降。此外，不同堵塞方式下游的渦分布不同：中心通道100%堵塞時(shí)堵塞段下游燃料棒周?chē)嬖?個(gè)主要的渦結(jié)構(gòu)，50%堵塞時(shí)為4個(gè)，25%堵塞時(shí)為2個(gè)，渦出現(xiàn)的形式也與堵塞物形狀有關(guān)。

a——100%堵塞；b——50%堵塞；c——25%堵塞

Re=30 000下， 50%與25%堵塞率堵塞下游不同高度處子通道間隙的湍流交混系數(shù)對(duì)比示于圖12，所檢測(cè)子通道間隙位置均標(biāo)識(shí)于圖中。100%堵塞率工況計(jì)算結(jié)果如圖8b所示。

對(duì)于50%堵塞率的情況：定性來(lái)看，堵塞物所在子通道間隙(G24、G25、G30)的湍流交混系數(shù)會(huì)有一明顯的驟升現(xiàn)象，但G24、G25、G30的湍流交混系數(shù)變化行為又有所區(qū)別。G24的湍流交混系數(shù)呈快速下降，并未出現(xiàn)G25、G30湍流交混系數(shù)先增后減的現(xiàn)象，且衰減速度慢于G24。這是由于G25、G30附近有渦結(jié)構(gòu)存在，而G24附近無(wú)大尺度渦結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的。G30的湍流交混系數(shù)增加量總體上小于G25，這是由堵塞物形狀導(dǎo)致的，堵塞物占據(jù)G30的一半的同時(shí)占據(jù)了G25的全部，因此會(huì)對(duì)G25通道產(chǎn)生較G30通道更大的影響。對(duì)于堵塞物所在子通道相鄰子通道間隙(G26、G41)，湍流交混系數(shù)在堵塞物下游約3Dh內(nèi)快速下降至接近于正常工況。其余子通道間隙(如G49)的湍流交混系數(shù)增加并不明顯。定量來(lái)看，堵塞物所在子通道間隙湍流交混系數(shù)最大會(huì)增至正常湍流交混系數(shù)的1.75倍左右，其相鄰子通道湍流交混系數(shù)最大會(huì)增至正常工況的1.3倍左右，其余子通道增加幅度會(huì)更低。

圖12 邊通道堵塞下游不同位置交混系數(shù)

對(duì)于25%堵塞率的情況：堵塞物所在子通道間隙(G24、G25)的湍流交混系數(shù)明顯區(qū)別于其余子通道間隙，最大可增至正常工況的1.5倍左右。其中G24的湍流交混系數(shù)快速下降，G25的湍流交混系數(shù)受到渦結(jié)構(gòu)的影響呈先增后減的現(xiàn)象，50%堵塞率時(shí)也有類似的現(xiàn)象，這說(shuō)明附近存在渦結(jié)構(gòu)的子通道間隙湍流交混系數(shù)會(huì)有波動(dòng)，此波動(dòng)表現(xiàn)為先增后減，且會(huì)較其余子通道間隙需要更長(zhǎng)的距離恢復(fù)至正常工況。由于25%堵塞率較小，使得除堵塞物所在子通道以外的子通道間隙湍流交混系數(shù)在數(shù)量上相差很小，但同樣存在堵塞物相鄰子通道間隙湍流交混系數(shù)在約3Dh內(nèi)快速下降的現(xiàn)象，而其余子通道變化幅度不明顯。

綜上分析，在堵塞下游，小的子通道堵塞率會(huì)減小堵塞給流場(chǎng)帶來(lái)的擾動(dòng)、降低下游的湍流交混系數(shù)峰值并有促進(jìn)湍流交混系數(shù)恢復(fù)至正常工況的趨勢(shì)。

2.4 不同堵塞長(zhǎng)度交混程度對(duì)比

控制不同堵塞長(zhǎng)度作為自變量，選取的堵塞子通道均為中心通道，對(duì)比了3種堵塞長(zhǎng)度，即中心通道4 cm堵塞、中心通道2 cm堵塞、中心通道1 cm堵塞。

選取過(guò)渡流(Re=6 000)和湍流(Re=30 000)兩流態(tài)工況下速度場(chǎng)結(jié)果進(jìn)行分析，圖13為兩工況下中心通道堵塞段及其下游不同水力直徑軸向速度云圖。定性來(lái)看，對(duì)于堵塞對(duì)下游流場(chǎng)的縱向影響范圍，堵塞長(zhǎng)度的變化對(duì)堵塞下游流場(chǎng)恢復(fù)至正常工況所需的長(zhǎng)度影響不大。從雷諾數(shù)的變化看，當(dāng)流體處于湍流程度較強(qiáng)的湍流區(qū)時(shí)，堵塞長(zhǎng)度較短會(huì)導(dǎo)致堵塞下游靠近堵塞段處流體流動(dòng)情況更加復(fù)雜，這可能是由于堵塞段內(nèi)流體在流道突縮后需要一定的長(zhǎng)度使流體逐漸穩(wěn)定，若堵塞長(zhǎng)度較短，尚未穩(wěn)定的流體即經(jīng)突擴(kuò)后進(jìn)入堵塞下游，從而加劇了堵塞下游流動(dòng)的復(fù)雜性。在此堵塞長(zhǎng)度范圍內(nèi)，隨著堵塞長(zhǎng)度的改變，堵塞下游附近流體的當(dāng)?shù)乩字Z數(shù)并無(wú)明顯變化。

圖13 不同堵塞長(zhǎng)度下的流體速度云圖

Re=30 000時(shí)不同堵塞長(zhǎng)度堵塞下游渦核分布示于圖14中紅線區(qū)域。在堵塞長(zhǎng)度4 cm工況，渦核分布較為對(duì)稱；當(dāng)堵塞長(zhǎng)度為2 cm時(shí)，渦核分布的對(duì)稱趨勢(shì)有所減弱；當(dāng)堵塞長(zhǎng)度為1 cm時(shí)，渦核分布情況較為雜亂，且渦核存在的范圍有所增加，除堵塞子通道內(nèi)存在渦核，相鄰子通道間隙附近亦有渦核出現(xiàn)，這是堵塞段內(nèi)的渦尺度大于堵塞長(zhǎng)度的結(jié)果。說(shuō)明如果堵塞段長(zhǎng)度較短，不足以使得堵塞段內(nèi)流體的渦結(jié)構(gòu)影響在堵塞段內(nèi)完全消失，將導(dǎo)致堵塞下游流體行為更為復(fù)雜。

堵塞長(zhǎng)度：a——4 cm；b——2 cm；c——1 cm

3種堵塞長(zhǎng)度下，Re=30 000時(shí)G25、G36、G54的湍流交混系數(shù)對(duì)比如圖15所示。對(duì)于G25，堵塞長(zhǎng)度增大時(shí)，下游湍流交混系數(shù)的最大值亦會(huì)增加。當(dāng)雷諾數(shù)較小時(shí)，3種堵塞長(zhǎng)度的湍流交混系數(shù)恢復(fù)至正常工況的速度基本一致。當(dāng)雷諾數(shù)較高時(shí)，低堵塞長(zhǎng)度工況的湍流交混系數(shù)有較其余兩堵塞長(zhǎng)度下的湍流交混系數(shù)呈更明顯的先增后減趨勢(shì)，這是由湍流程度較高時(shí)低堵塞長(zhǎng)度渦結(jié)構(gòu)更為雜亂所致。對(duì)于G36，3種堵塞長(zhǎng)度湍流交混系數(shù)的變化趨勢(shì)相似，均為快速降低后逐漸趨于正常工況，說(shuō)明低堵塞長(zhǎng)度工況的渦結(jié)構(gòu)對(duì)相鄰子通道湍流交混程度的影響仍較小。對(duì)于G54，由于距離堵塞位置較遠(yuǎn)，3種堵塞長(zhǎng)度的湍流交混系數(shù)基本一致。這反映不同的堵塞長(zhǎng)度對(duì)堵塞段下游較近距離的湍流交混系數(shù)具有較大影響，但總體上不會(huì)影響湍流交混系數(shù)的恢復(fù)速度。

圖15 不同堵塞長(zhǎng)度下堵塞下游湍流交混系數(shù)對(duì)比

綜上分析，當(dāng)堵塞長(zhǎng)度過(guò)短使得堵塞段內(nèi)的渦尺度大于堵塞長(zhǎng)度時(shí)，堵塞下游渦結(jié)構(gòu)會(huì)較為復(fù)雜，導(dǎo)致流體的湍流交混系數(shù)會(huì)明顯升高或產(chǎn)生波動(dòng)；當(dāng)堵塞長(zhǎng)度足夠包容堵塞段內(nèi)的渦結(jié)構(gòu)時(shí)，堵塞下游的渦結(jié)構(gòu)會(huì)相對(duì)穩(wěn)定。不同堵塞長(zhǎng)度對(duì)堵塞下游較近位置流體的湍流交混系數(shù)影響較大，之后湍流交混系數(shù)會(huì)以相近的速度恢復(fù)至正常工況。

將3組不同堵塞條件的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行匯總分析，得出過(guò)渡區(qū)與湍流區(qū)堵塞下游不同子通道的湍流交混系數(shù)沿流動(dòng)方向的變化規(guī)律，如表2所列。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文采用實(shí)驗(yàn)與CFD數(shù)值模擬的方法對(duì)5×5緊密柵堵塞工況進(jìn)行研究，獲得了不同堵塞工況下通道內(nèi)不同位置的湍流交混系數(shù)分布規(guī)律。分析表明：堵塞段及其下游存在的大尺度渦結(jié)構(gòu)，是堵塞下游湍流交混系數(shù)復(fù)雜性的主要原因；定性來(lái)看，堵塞對(duì)不同位置流體的湍流交混系數(shù)存在一個(gè)主要影響范圍，在堵塞子通道及其相鄰子通道處，會(huì)明顯區(qū)別于正常工況。對(duì)于其余子通道，湍流交混系數(shù)的變化很小，基本可忽略不計(jì)；定量來(lái)看，堵塞子通道下游湍流交混系數(shù)會(huì)增大至正常工況的3倍以內(nèi)，并在15Dh內(nèi)快速下降，之后逐漸恢復(fù)至正常工況，其余子通道下游湍流交混系數(shù)會(huì)增大至正常工況的1.5倍以內(nèi)，并在6Dh內(nèi)快速下降，之后逐漸恢復(fù)至正常工況。堵塞下游湍流交混系數(shù)相關(guān)結(jié)果可為子通道分析程序參數(shù)設(shè)置提供參考。

表2 堵塞下游湍流交混系數(shù)分布