圓形截面雙扭管內(nèi)流動(dòng)穩(wěn)定性和均勻性評(píng)估

楊國(guó)英,鄧清華,何偉,豐鎮(zhèn)平

(1.西安交通大學(xué)葉輪機(jī)械研究所,710049,西安;2.西安交通大學(xué)陜西省葉輪機(jī)械及動(dòng)力裝備工程實(shí)驗(yàn)室,710049,西安)

工業(yè)管路中液體流動(dòng)不穩(wěn)定會(huì)給管路帶來(lái)振動(dòng),給設(shè)備運(yùn)行帶來(lái)安全隱患,此外流動(dòng)不均勻也會(huì)造成流量測(cè)量不準(zhǔn)確。Mattingly等認(rèn)為,90°單彎頭會(huì)產(chǎn)生旋渦流,使下游流動(dòng)穩(wěn)定性和均勻性降低,導(dǎo)致孔板流量計(jì)的測(cè)量值低于實(shí)際值[1]。蘇寶煥等研究了上游彎管的設(shè)置對(duì)超聲波流量計(jì)測(cè)量工業(yè)鍋爐給水流量準(zhǔn)確性的影響,發(fā)現(xiàn)彎管下游管道內(nèi)的速度呈非理想分布狀態(tài),對(duì)水流量測(cè)量的準(zhǔn)確性影響較大,流量理論值均比實(shí)際值小[2]。

在工業(yè)輸水管道中,受運(yùn)行環(huán)境、技術(shù)手段以及流量測(cè)量等特殊目的的限制,管路中常含有彎管、孔板、閥門等部件,這些會(huì)使管內(nèi)流體的流動(dòng)穩(wěn)定性和均勻性下降[3]。管路中流量的準(zhǔn)確測(cè)量至關(guān)重要。流量計(jì)對(duì)于流動(dòng)穩(wěn)定性和均勻性的要求較高,根據(jù)GB/T 2624.1—2006圓形截面管道流量計(jì)安裝標(biāo)準(zhǔn),安裝位置處的流動(dòng)狀態(tài)必須是整個(gè)管道截面的旋渦角均小于2°的充分發(fā)展管流。液體流過(guò)彎管、雙扭管、孔板、閥門等特殊部件后,需要在下游加設(shè)20～50倍直徑的直管道來(lái)降低不穩(wěn)定、不均勻的流動(dòng)狀態(tài)。實(shí)際生產(chǎn)中,受到環(huán)境、成本等因素的影響,多數(shù)情況不滿足流量計(jì)的要求。在這些部件下游安裝流動(dòng)調(diào)整器可以消除不穩(wěn)定的流動(dòng),使流動(dòng)在較短的直管段條件下形成穩(wěn)定無(wú)旋渦的充分發(fā)展的流動(dòng)狀態(tài)[4]。因此,研究這些部件產(chǎn)生的畸變流場(chǎng)以及其對(duì)流動(dòng)穩(wěn)定性和均勻性的影響,可為流量計(jì)和流動(dòng)調(diào)整器的安裝提供依據(jù)。

雙扭管是一種典型的管道部件,其由兩個(gè)90°彎管組合而成,也被稱為雙彎頭結(jié)構(gòu)。液體在雙扭管內(nèi)部受彎管曲率、流動(dòng)雷諾數(shù)、黏滯力、離心力等多重因素的影響,流動(dòng)狀態(tài)非常復(fù)雜,其下游流體的流動(dòng)與充分發(fā)展的紊流流動(dòng)狀態(tài)相差甚遠(yuǎn)[5]。李濤等利用試驗(yàn)和數(shù)值模擬手段,對(duì)90°彎管Z型組合進(jìn)行了研究,分析了管道中壓力和速度分布,且對(duì)相鄰影響系數(shù)隨彎管間距離變化規(guī)律進(jìn)行總結(jié),為矩形90°彎管Z型組合的相鄰影響規(guī)律的研究和預(yù)測(cè)提供了依據(jù)[6]。Laribi等研究了平面雙彎頭和不同平面雙彎頭條件下旋流對(duì)標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)測(cè)量精度的影響,結(jié)果表明旋流會(huì)導(dǎo)致2%～4%的誤差[7]。李彥梅等研究了上游雙彎頭對(duì)于內(nèi)錐流量計(jì)的影響,發(fā)現(xiàn)上游雙彎頭會(huì)增加內(nèi)錐流量計(jì)的不確定度[8]。趙丹利用數(shù)值模擬方法研究了雙彎頭下游超聲流量計(jì)的特性,發(fā)現(xiàn)雙彎頭所造成的測(cè)量誤差可達(dá)2.4%[9]。劉琦等利用數(shù)值仿真方法,研究了雙扭管下游不同位置處采用DANIEL 3400超聲流量計(jì)計(jì)量的準(zhǔn)確性,結(jié)果表明,計(jì)量管內(nèi)徑越大,流態(tài)穩(wěn)定時(shí)超聲流量計(jì)的相對(duì)誤差就越小,與豎直方向上同平面內(nèi)布置的雙90°彎頭相比,異面雙90°彎頭下游直管內(nèi)超聲流量計(jì)的相對(duì)誤差波動(dòng)較弱,但在流速恢復(fù)過(guò)程中,計(jì)量誤差較大[10]。王瑞欣等認(rèn)為豎直雙彎頭(90°布置)產(chǎn)生的管內(nèi)流態(tài)畸變對(duì)壓差式流量計(jì)的測(cè)量精度有較大影響[11]。

雙扭管管道內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)比較復(fù)雜,如果不加裝流動(dòng)調(diào)整器,其下游需要較長(zhǎng)的直管段來(lái)消除不均勻、不穩(wěn)定的流動(dòng)。Laws研究不同平面雙彎頭形成的旋流,認(rèn)為對(duì)由不同平面90°雙彎頭形成的旋流,要達(dá)到節(jié)流裝置流量測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)(ISO 5167)提出的小于2°的旋渦角的要求,需要100倍管徑的直管段長(zhǎng)度[12]。屈鑫鑫認(rèn)為,非平面雙彎頭管道內(nèi)存在較大的渦流,有較大的速度偏差,且在下游較長(zhǎng)距離內(nèi)該速度偏差會(huì)繼續(xù)存在[13]。王慧鋒等對(duì)于A+K平衡流量計(jì)與上游同平面90°雙彎頭時(shí)之間所需最短直管段長(zhǎng)度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)所需最短直管段長(zhǎng)度為40D[14]。陳利瓊等采用數(shù)值模擬方法研究了180°彎頭對(duì)DANIEL 3400型超聲流量計(jì)測(cè)量特性的影響,發(fā)現(xiàn)為了保證流量計(jì)的測(cè)量準(zhǔn)確性,180°彎頭與流量計(jì)之間所需要的直管段長(zhǎng)度至少為50D[15]。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2624.1—2006,幾種典型的流量計(jì)安裝標(biāo)準(zhǔn)均對(duì)雙扭管下游直管段的長(zhǎng)度提出要求,所需直管段均較長(zhǎng),如表1所示。

表1 典型流量計(jì)上游與雙扭管之間所需直管段長(zhǎng)度Table 1 Length of straight pipe between typical flowmeter upstream and double elbow pipe

總的來(lái)說(shuō),國(guó)內(nèi)外對(duì)于雙扭管的研究相對(duì)較少,當(dāng)前研究的雷諾數(shù)均低于6×105,缺乏適合于核電站部分輸水管道的高雷諾數(shù)的研究,且國(guó)內(nèi)外的研究缺乏對(duì)于雙扭管下游直管段流動(dòng)穩(wěn)定性和均勻性的研究。本文根據(jù)能量梯度理論,利用數(shù)值模擬著重分析了在不同的雷諾數(shù)條件下,0°、90°和180° 3種雙扭管布置方式對(duì)其內(nèi)部流動(dòng)穩(wěn)定性和均勻性的影響規(guī)律,并與流量計(jì)安裝標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比,以驗(yàn)證在其下游直管段相應(yīng)位置是否滿足安裝要求,為流量計(jì)以及流動(dòng)調(diào)整器的合理利用提供依據(jù)。

1 數(shù)理模型

1.1 幾何模型

雙扭管模型如圖1所示,由兩個(gè)相同的90°彎管組合成0°、90°以及180°。表2列出了3種模型的幾何參數(shù)。本文依據(jù)CAP1400核電機(jī)組的管路選用了常見(jiàn)的DN150管道,入口邊界條件為均勻來(lái)流,至充分發(fā)展紊流所需距離小于5D,因此入口直管段設(shè)為5D。根據(jù)表1,典型流量計(jì)上游與雙扭管之間所需直管段長(zhǎng)度最長(zhǎng)為40D。為方便對(duì)比,下游直管段長(zhǎng)度設(shè)為50D,其余尺寸根據(jù)ASME B36.10標(biāo)準(zhǔn)給出。

圖1 雙扭管模型圖Fig.1 Model of double elbow pipe

表2 雙扭管幾何參數(shù)Table 2 Geometric parameters of double elbow pipe

1.2 邊界條件

基于CAP1400核電機(jī)組的管路流動(dòng)參數(shù),工質(zhì)為水,表3列出了計(jì)算時(shí)的詳細(xì)邊界條件。管道壁面設(shè)置為絕熱,管道進(jìn)口的流量設(shè)置與6×105～1.2×106的雷諾數(shù)相匹配。

表3 邊界條件參數(shù)Table 3 Parameters of boundary condition

1.3 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

計(jì)算域剖分采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,其截面和流向上的局部網(wǎng)格如圖2所示。本節(jié)采用5組尺度的網(wǎng)格進(jìn)行獨(dú)立性驗(yàn)證。對(duì)于文中所有網(wǎng)格,邊界層網(wǎng)格第一層厚度為0.001 mm,增長(zhǎng)率設(shè)置為1.2,邊界層數(shù)為10～15層?？傮w網(wǎng)格數(shù)量從100萬(wàn)至800萬(wàn),全局網(wǎng)格尺寸后者分別約是前者的0.8、0.7、0.6和0.5倍。

(a)流向網(wǎng)格

圖3展示了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證的結(jié)果,管道內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)與速度、壓力等參數(shù)息息相關(guān),本節(jié)比較了不同網(wǎng)格尺度下管道中心線上-10D～10D范圍內(nèi)(以下游彎頭出口截面為0D截面,管道各橫截面中心與0D截面中心之間的中心線長(zhǎng)度記為L(zhǎng),見(jiàn)圖1)的速度。從圖中可以看出,當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到300萬(wàn)以上時(shí),各曲線速度差別很小,400萬(wàn)、500萬(wàn)和800萬(wàn)網(wǎng)格的曲線幾乎重合。因此本文在計(jì)算時(shí)采用500萬(wàn)網(wǎng)格,保證了計(jì)算結(jié)果的網(wǎng)格獨(dú)立性。

圖3 網(wǎng)格數(shù)量對(duì)管道中心線速度的影響 Fig.3 Influence of grid number on velocity at pipeline centerline

1.4 湍流模型驗(yàn)證

管道布置方案對(duì)流動(dòng)損失、穩(wěn)定性和均勻性影響較大,本節(jié)參照文獻(xiàn)[16]中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),建立了計(jì)算模型,如圖1中的0°雙扭管,其中L1=50D,L2=100D,其余尺寸與表2相同。

根據(jù)參考文獻(xiàn)[16],雙扭管可以認(rèn)為是兩個(gè)90°彎管的組合,每個(gè)彎管都可認(rèn)為是特殊的管件。若雷諾數(shù)遠(yuǎn)大于5×105,可認(rèn)為相鄰影響系數(shù)C與雷諾數(shù)Re無(wú)關(guān),且此模型的Ls/D(兩管件之間的相對(duì)間距)為0,R/D(彎頭半徑與圓管直徑之比)為1.5。C的計(jì)算公式為

(1)

式中:ξ′為將雙扭管按照單個(gè)管件計(jì)算所獲得的局部阻力系數(shù);ξ1和ξ2分別為上、下游彎管的局部損失系數(shù)。根據(jù)參考文獻(xiàn)[17],彎管的局部阻力損失系數(shù)

(2)

式中:Δhξ為壓頭降;g為重力加速度;V為截面平均流速。

采用k-ε模型、RNGk-ε模型、k-ω模型和SSTk-ω模型計(jì)算了雷諾數(shù)為7×105、1×106以及1.2×106的結(jié)果,并與參考文獻(xiàn)[16]的相鄰影響系數(shù)C的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,如圖4所示?？梢钥闯?相對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果,4種湍流模型的計(jì)算結(jié)果均偏低,盡管如此,SSTk-ω湍流模型的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果最接近。

圖4 數(shù)值結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較Fig.4 Comparison of numerical results and experimental data

另外,本文基于參考文獻(xiàn)[18]的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),對(duì)湍流模型的可靠性進(jìn)行了進(jìn)一步驗(yàn)證。文獻(xiàn)[18]中的雙扭管結(jié)構(gòu)與本文圖1的0°雙扭管模型相似,圓管直徑D為192 mm,彎頭半徑R為192 mm,進(jìn)出口直管段均為50D。選取下游彎管60°截面處的軸向速度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證,其中,ri為截面上某點(diǎn)到管道中心軸線的距離,r為管道半徑,Vi為截面上某點(diǎn)處的軸向速度,Vz為該截面上的軸向平均速度。湍流模型驗(yàn)證結(jié)果如圖5所示,可以看出k-ω湍流模型和SSTk-ω湍流模型都能夠預(yù)測(cè)該截面上軸向速度的變化趨勢(shì),但是SSTk-ω湍流模型與實(shí)驗(yàn)值之間差別最小,因此,本文采用SSTk-ω湍流模型進(jìn)行計(jì)算。

圖5 下游彎管60°截面軸向速度分布Fig.5 Axial velocity distribution of downstream elbow on 60° section

2 分析及評(píng)價(jià)方法

本文流動(dòng)穩(wěn)定性分析方法主要是依據(jù)竇華書(shū)等提出的能量梯度理論[19-21],采用能量梯度函數(shù)K表征流動(dòng)穩(wěn)定性的大小。同時(shí),借助Q準(zhǔn)則[22]進(jìn)行渦量分析。其他表征流動(dòng)狀態(tài)的參數(shù)如下。

2.1 旋渦角

根據(jù)GB/T 2624.1—2006,流量計(jì)安裝處的流動(dòng)必須是近似無(wú)旋渦的充分發(fā)展紊流,旋渦角應(yīng)低于2°。根據(jù)GB/T 17611—1998,旋渦角θ為橫截面某給定點(diǎn)的局部速度與管道軸線之間的夾角,其計(jì)算公式為

(3)

式中:Vw代表給定點(diǎn)速度在管道軸線方向上的分量;V代表給定點(diǎn)的速度。

2.2 均勻性指標(biāo)

速度和壓力均勻性能全面反映整個(gè)通流截面的流動(dòng)狀態(tài)。根據(jù)Weltens等提出的均勻性評(píng)價(jià)指標(biāo)[23],均勻性指數(shù)γ的表達(dá)式為

(4)

3 結(jié)果與討論

本文的數(shù)值模擬在5種雷諾數(shù)條件下進(jìn)行,分別為6×105、7.5×105、9×105、1.05×106和1.2×106。根據(jù)CAP1400核電機(jī)組的實(shí)際布置情況,泵入口處的直管段最長(zhǎng)僅有5D左右,而根據(jù)GB/T 2624.1—2006,流量計(jì)與管件之間若安裝流動(dòng)調(diào)整器,直管段長(zhǎng)度可縮短至10D以下,且部分參數(shù)10D以后變化不大,因此本文對(duì)于部分參數(shù)只展示10D之內(nèi)的結(jié)果。

為方便分析,文中以下游彎頭出口截面為0D截面(見(jiàn)圖1),管道各橫截面中心與0D截面中心之間的中心線長(zhǎng)度記為L(zhǎng),以L/D作為各曲線圖橫坐標(biāo)。

3.1 不同管道布置方案的流動(dòng)特性

3.1.1 壓力和速度參數(shù)分析 前已述及,流量計(jì)安裝位置處的流動(dòng)狀態(tài)是旋渦角小于2°的充分發(fā)展紊流。本節(jié)以Re=1.2×106為例,詳細(xì)分析雙扭管管道布置方案對(duì)管內(nèi)流動(dòng)穩(wěn)定性和均勻性的影響。為便于表示,夾角為0°、90°和180°的3種雙扭管分別記為A0、A90以及A180。

用無(wú)量綱系數(shù)Cp表示管內(nèi)的壓力,公式為

Cp=p/pb

(5)

式中:pb為背壓;p為當(dāng)?shù)仂o壓。

雙扭管內(nèi)部中心線以及上下壁面的壓力變化情況如圖6所示,R1和R2分別代表上游彎管段和下游彎管段。需要說(shuō)明的是,A90上下游管道不在同一平面內(nèi),因而圖例中將管道分為上下游兩部分。

(a)A0

從圖6可以看出,3種管道布置在轉(zhuǎn)彎處的內(nèi)部壓力分布比較類似,因流體在彎管內(nèi)會(huì)受到離心力,內(nèi)壁面壓力低,外壁面壓力高,在彎管流向中部附近,壓力達(dá)到極值。通過(guò)比較發(fā)現(xiàn),在A90管道彎曲段下游比較長(zhǎng)的距離內(nèi),管道中線上的壓力與管壁壓力差異較大,A0管道次之,A180管道內(nèi)的壓力差最小,彎管對(duì)流動(dòng)穩(wěn)定性的影響距離也最短。

雙扭管中截面速度分布如圖7所示,A90管道左側(cè)為上游管道,右側(cè)為下游管道。從圖中可以看出,與壓力分布相反,內(nèi)壁面速度比較大,外壁面速度比較小,而且均在彎管流向中部附近達(dá)到極值。3種管道流線開(kāi)始發(fā)生劇烈變化的地方都在下游彎管處,說(shuō)明二次流與渦多產(chǎn)生在下游,也說(shuō)明下游受結(jié)構(gòu)影響較大,流動(dòng)狀態(tài)變得更加復(fù)雜。

(a)A0

3.1.2 流動(dòng)穩(wěn)定性分析 根據(jù)能量梯度理論,能量梯度函數(shù)K值越大,流動(dòng)越不穩(wěn)定。流動(dòng)不穩(wěn)定時(shí)容易產(chǎn)生旋渦和回流使管路產(chǎn)生振動(dòng),是流體流動(dòng)在時(shí)間和空間層面的反映。圖8展示了雙扭管內(nèi)部不同截面處K的最大值,因10D之后K值為0,為了便于觀察,圖中僅展示了10D之內(nèi)的變化。彎管內(nèi)流體受到離心力的影響,與直管段相比流動(dòng)更不穩(wěn)定,最不穩(wěn)定處出現(xiàn)在彎管段流向中部附近。上游彎管處,A180管道的K值最大,流動(dòng)最不穩(wěn)定,A90管道次之,A0管道最穩(wěn)定。A90管道在下游彎管處的壓力方向與上游彎管垂直,導(dǎo)致上下游彎管影響相互疊加,K值最大,流動(dòng)最不穩(wěn)定。A180管道下游彎管內(nèi)部截面存在較大的K值,說(shuō)明上下游疊加的效應(yīng)較強(qiáng),因此A180較A0管道流動(dòng)更不穩(wěn)定。3種管道的下游直管段K值相對(duì)較小,且變化不大,流動(dòng)較為穩(wěn)定,與前述壓力分布相比,流動(dòng)逐漸趨向于充分紊流發(fā)展。從穩(wěn)定性角度分析,彎管段流動(dòng)穩(wěn)定性與直管段流動(dòng)穩(wěn)定性相比較差,流動(dòng)調(diào)整器可安裝在彎管內(nèi)部彎頭中心外壁面處。

圖8 雙扭管不同截面最大K值Fig.8 Maximum K on different sections of double elbow pipe

3.1.3 渦量變化分析 根據(jù)渦量Q準(zhǔn)則,Q>0才被認(rèn)為是旋渦。根據(jù)GB/T 2624.1—2006,流量計(jì)安裝處的流動(dòng)必須是近似無(wú)旋渦的充分發(fā)展紊流。圖9展示了雙扭管內(nèi)部不同截面處Q的最大值。Q的變化可以直觀反映出渦量大小的變化?？梢钥闯?管段內(nèi)渦量均較大,對(duì)比發(fā)現(xiàn),上游彎管段A180管道渦量最大,A0管道渦量最小,下游彎管段A0管道渦量最大,A180管道渦量最小。下游直管段渦量的衰減程度也不一樣,A90管道衰減最慢,到45D之后渦量依舊遠(yuǎn)大于0。A180管道衰減最快,10D左右渦量已經(jīng)基本為0,A0管道則需要到25D左右,這說(shuō)明隨著K值增大,最大Q值也會(huì)有一定程度的降低,但是對(duì)比3種結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn),K值并不能決定Q值的大小。

(a)-10D～10D

為進(jìn)一步與流量計(jì)安裝標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比,下游直管段各截面旋渦角的變化如圖10所示。可以看出,下游旋渦角均在減小,A90管道最大且衰減最慢,A180管道最小,衰減最快。A90管道旋渦角直至45D依舊比較大,為10°左右,表明要達(dá)到流量計(jì)安裝標(biāo)準(zhǔn)中的流動(dòng)狀態(tài)要求,需要比較長(zhǎng)的直管段。這與Laws的研究結(jié)果[10]類似:對(duì)由不同平面90°雙彎頭形成的旋流,要達(dá)到小于2°的旋渦角的要求需要很長(zhǎng)的直管段,甚至需要超過(guò)100倍管徑的直管段長(zhǎng)度。

圖10 下游直管段不同截面的旋渦角Fig.10 Maximum value of swirling angle of downstream straight pipe on different cross sections

根據(jù)計(jì)算結(jié)果,旋渦角要降到2°以下,A0管道需要40D直管段長(zhǎng)度,A180管道需要22.5D直管段長(zhǎng)度。對(duì)比流量計(jì)的安裝要求,A180管道在安裝標(biāo)準(zhǔn)所要求的直管段范圍內(nèi)基本能夠滿足要求,而A90和A0管道的流動(dòng)狀態(tài)則無(wú)法滿足要求。這也從側(cè)面說(shuō)明了雙扭管內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)比較復(fù)雜,流場(chǎng)產(chǎn)生了較大的畸變。

(a)速度云圖

根據(jù)前述分析,3種管道上游彎管內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)比較類似,高速中心逐漸向內(nèi)壁遷移,并受下游彎管段的影響開(kāi)始產(chǎn)生畸變,如圖11a所示。下游彎管段差別較大,如圖11b所示。以F表示上游彎管,L表示下游彎管,Fn表示上游彎管n°處截面,Ln表示下游彎管n°處截面。受到離心力以及壓力梯度的影響,渦量中心產(chǎn)生的位置不同,A0管道產(chǎn)生在外壁面附近,A90管道產(chǎn)生在左壁面附近,A180管道產(chǎn)生在內(nèi)壁面附近。A0和A90管道產(chǎn)生的旋渦影響范圍比較大。A0和A180管道結(jié)構(gòu)比較對(duì)稱,均產(chǎn)生兩個(gè)對(duì)稱的渦核,A90管道產(chǎn)生一個(gè)范圍較大的渦核,其范圍隨著流動(dòng)擴(kuò)大,位置也在不斷變化,并且其影響距離較其他兩種管道大。說(shuō)明A90管道在下游彎管處的流動(dòng)狀態(tài)最為復(fù)雜,這與前文A90管道在下游彎管處流動(dòng)穩(wěn)定性較差相對(duì)應(yīng)。

圖12為下游直管段不同截面渦量的變化。Dm表示下游直管段中與下游彎頭出口截面之間的距離為m倍管道直徑處的截面。3種管道下游直管段中渦的影響范圍都在慢慢擴(kuò)大,A90管道內(nèi)不僅其范圍擴(kuò)大,而且位置也在變化,說(shuō)明內(nèi)部二次流較高。A180管道中渦的影響范圍較小,而且到出口渦量基本為0。A0管道低速中心慢慢擴(kuò)大,但是渦量卻變小,旋轉(zhuǎn)速度較小。

(a)D0～D4

3.1.4 速度、壓力均勻性分析 與流動(dòng)穩(wěn)定性不同,流動(dòng)均勻性是流體流動(dòng)在空間層面的反映,如速度均勻性能夠反映通流截面流體速度的分布特性。在流量計(jì)安裝標(biāo)準(zhǔn)中,并沒(méi)有對(duì)流動(dòng)均勻性做出特殊要求,但是充分發(fā)展的紊流必然是速度均勻性與壓力均勻性比較高的流動(dòng),而且根據(jù)CAP1400核電機(jī)組的標(biāo)準(zhǔn),一些特殊位置(如泵入口等)的速度均勻性和壓力均勻性需要達(dá)到90%以上。圖13表示雙扭管內(nèi)不同截面的速度均勻性和壓力均勻性。上游彎管內(nèi),A0管道的速度均勻性最低,A90管道次之,A180管道速度均勻性最高。而在下游彎管,A180管道的速度均勻性最低,其次是A0管道,A90管道最高,下游直管段3種管道的速度均勻性和流動(dòng)穩(wěn)定性差別都較小,這與前述的流動(dòng)穩(wěn)定性的變化大致是相反的,即流動(dòng)穩(wěn)定性增大時(shí),速度均勻性反而會(huì)降低。

(a)速度均勻性

盡管在前文已經(jīng)指出,A180管道在下游直管段渦核影響區(qū)域較小,而且影響距離較短,A90管道中渦核影響范圍較大,影響距離也較長(zhǎng)。但是根據(jù)圖13a,下游直管段12D內(nèi),A180速度均勻性最低,A90均勻性最高,說(shuō)明渦量并不能決定流動(dòng)均勻性。通過(guò)比較下游直管段內(nèi)速度和壓力均勻性發(fā)現(xiàn),速度均勻性相差不大,均在89%上下波動(dòng),但是受上游彎管的影響,A0管道下游直管段速度均勻性短距離內(nèi)波動(dòng)較大,A90管道整體波動(dòng)都較大,直到45D處依舊在波動(dòng),A180管道比較穩(wěn)定。3種管道的速度均勻性均低于90%,說(shuō)明直管段的距離可能無(wú)法滿足要求,需要加長(zhǎng)直管段。3種結(jié)構(gòu)壓力均勻性相差不大且均較高,超越了99.3%,與速度均勻性相反,A180管道壓力均勻性最高,A90管道壓力均勻性最低。

3.2 雷諾數(shù)對(duì)流動(dòng)穩(wěn)定性和均勻性的影響規(guī)律

不同雷諾數(shù)會(huì)導(dǎo)致流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的變化,必然會(huì)對(duì)流動(dòng)穩(wěn)定性和流動(dòng)均勻性造成影響。根據(jù)模擬結(jié)果,A0、A90和A180管道結(jié)果比較類似,因此本文以A0管道為例,分析雷諾數(shù)對(duì)于雙扭管內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)的影響規(guī)律。圖14給出了不同雷諾數(shù)對(duì)于A0管道內(nèi)部不同截面能量梯度函數(shù)K的影響。雷諾數(shù)越大,平均K值越大,流動(dòng)越不穩(wěn)定,說(shuō)明雙扭管內(nèi)部的高雷諾數(shù)流動(dòng)非常不穩(wěn)定。同時(shí),雷諾數(shù)越大,平均Q值越大,但是雷諾數(shù)對(duì)于Q的影響并不大,如圖15所示。

圖14 A0管道不同截面平均K值變化 Fig.14 Variation of average K value of A0 pipeline on different sections

圖15 A0管道不同截面平均Q值變化 Fig.15 Variation of average Q value of A0 pipeline on different sections

圖16展示了A0管道不同截面旋渦角隨雷諾數(shù)變化。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn),不同雷諾數(shù)所對(duì)應(yīng)的曲線幾乎重合,說(shuō)明對(duì)于布置方式確定的雙扭管,不同雷諾數(shù)對(duì)于下游直管段旋渦角的影響比較小。與前述結(jié)果對(duì)比,說(shuō)明雙扭管內(nèi)旋渦角的變化主要受雙扭管布置方式的影響。

圖16 A0管道不同截面旋渦角變化 Fig.16 Variation of swirling angle of A0 pipeline on different sections

(a)速度均勻性

圖17展示了A0管道不同截面速度均勻性和壓力均勻性隨雷諾數(shù)的變化。根據(jù)圖17,隨著雷諾數(shù)的增大,相同截面的速度均勻度增高,這與流動(dòng)穩(wěn)定性的變化是相反的,說(shuō)明流動(dòng)穩(wěn)定性增大時(shí),速度均勻性反而會(huì)降低。但是隨著雷諾數(shù)增大,壓力均勻性會(huì)略微降低。說(shuō)明雷諾數(shù)對(duì)于速度均勻性和壓力均勻性的影響效應(yīng)是相反的。同時(shí),所有雷諾數(shù)的壓力均勻度均比較高,可達(dá)99%以上。說(shuō)明并非雷諾數(shù)越大,流動(dòng)均勻性越差。從圖中還可以看出,無(wú)論是速度均勻性還是壓力均勻性,不同雷諾數(shù)下的變化趨勢(shì)大致上是相同的,說(shuō)明雷諾數(shù)對(duì)于速度均勻性和壓力均勻性的位置變化影響比較小。

4 結(jié) 論

(1)在雙扭管的3種布置方式中,下游直管段流動(dòng)穩(wěn)定性均較好。下游直管段12D內(nèi),A180管道速度均勻性最好,A0的次之,A90的最差,壓力均勻性正好相反。A90管道下游彎管處所受合力在周向和徑向有較大的分量,導(dǎo)致次流較強(qiáng),旋渦角最大,其旋渦角衰減速度也最慢。A180管道流場(chǎng)最好,A0管道介于A90和A180布置方式之間。

(2)若不加設(shè)流動(dòng)調(diào)整器,與典型流量計(jì)的安裝要求所需直管段相比,雙扭管要達(dá)到要求的流動(dòng)狀態(tài),即旋渦角小于2°的充分發(fā)展紊流所需的直管段更長(zhǎng),A0管道需要40D,A180管道需要22.5D,A90管道則在本文計(jì)算的45D處旋渦角為10°左右,距離2°相差較大,說(shuō)明需要更長(zhǎng)的直管段才能滿足流量計(jì)安裝要求。

(3)在雷諾數(shù)為6×105～1.2×106范圍內(nèi),隨著雷諾數(shù)增大,雙扭管內(nèi)部流動(dòng)穩(wěn)定性降低,但是相對(duì)應(yīng)的速度均勻性提升,壓力均勻性降低;雷諾數(shù)變化對(duì)于下游直管段旋渦角的影響較小。

(4)若不加設(shè)流動(dòng)調(diào)整器,雙扭管內(nèi)速度均勻性較差,至45D處速度均勻性仍處于90%以下。壓力均勻性受影響較小,1D內(nèi)可提升至99.7%以上。因此雙扭管管道內(nèi)部若要安裝流動(dòng)調(diào)整器,應(yīng)重點(diǎn)提升其速度均勻性。