基于计算流体力学两级孔板流动与阻力干涉研究

　摘要：本文采用ANSYSFLUENT数值计算软件为工具，对孔板节流效应干涉引起的阻力干涉现象研究。研究结果表明，当两级孔板间距与管道直径相当时，上游孔板形成的流场的类射流特征会影响到下游孔板节流特性，其整体阻力系数远低于两级节流孔板阻力之和。随着孔板间距的增大，两级孔板的整体阻力系数增大且增大的速率放缓，随着距离大于管径的4倍，孔板整体阻力系数几乎不随距离的增加而增大。

　　关键词：孔板；阻力；干涉现象

　　节流孔板是核反应堆系统回路上重要的阻力调节装置，应用于核电站各种回路系统中十分广泛。节流孔板的作用在于，在管道处由于流体突缩、突扩以及相互干涉形成局部阻力，从而形成较大压降，从而实现调节回路阻力与流量的目的。如果节流孔板的设计不当，则会由于流速的突变、涡流、压力突降导致压力低于饱和压力而引起的闪蒸等，导致管道强烈的流致振动，导致振幅过大或噪音、管道腐蚀严重等恶劣工况。在节流孔板设计中，分为单级孔板与多级孔板等。回路压力设计要求单级孔板形成较大的压降，易出现由压力降低至饱和压力而导致闪蒸等现象，不利于核电厂回路系统长期稳定运行，因此部门学者开展了多级孔板代替单级孔板的研究，多级孔板设计的优势是每级孔板形成的压降不大，进而降低闪蒸发生的可能性及剧烈程度。因此，多级孔板的设计在回路系统中尤为重要。在多级孔板设计中，由于孔板的节流作用，孔板下游流速并不均匀，因此多级孔板间布置距离会影响下游孔板流动特性以及多级孔板形成的整体阻力特性。本研究开展了第二级节流孔板对第一级节流孔板干涉的流场与阻力特性研究，可为多级孔板设计与校核计算提供必要参考。

　  一、模型介绍

　　计算技术路线与模型。管道内径D为145mm，孔板内径d为60mm，孔板厚度H为18mm，孔板上游直管段L1长度为200mm，孔板下游长度L2为3000mm，多级孔板模拟时变量主要为孔板轴向间距L，本研究中分别研究了孔板间距为145mm、200mm、240mm、290mm、350mm、435mm、580mm、725mm。

　  二、数值方法

　　（一）网格策略介绍

　　本研究借助于计算流体力学的方法，其核心思想是求解离散的流动方程。因此网格策略的选取尤为重要。

　　本研究选取二维轴对称结构模拟三维流场，对于孔板几何特征来说，实现结构化四边形网格十分方便。因此采用结构化网格划分方式，其网格质量也均高于0.9。

　　（二）计算方法介绍

　　计算选取fluent工具，计算收敛判据为残差小于10-5或残差曲线稳定，且进口处压降变化不超过0.1%。

　　三、计算结果分析

　　两级孔板间距为145mm时（孔板无量纲间距L/D=1），分析流速云图可知在流经第一级孔板后，呈射流状，在管道中心流速较大，此种情形下，第二级孔板对第一级孔板形成的中间射流影响较小。此时流速云图仍呈现“单子弹头型”。

　　随着间距的增大，分析孔板间距为290mm、435mm、580mm的速度云图可知，随着间距的增大，两级孔板中心的最大流速逐渐减小，第二级孔板的节流作用增大，流速云图从单“单子弹头型”分布逐渐过渡到“双子弹头型”分布，当两级孔板间距离够大时，下游孔板可完整地发挥其对流场的节流作用，受上游节流孔板的影响很小。

　　为了定量化研究两级孔板轴向距离对阻力系数影响规律，各轴向间距下两级孔板整体阻力系数数据统计表明，当轴向间距与管道直径相当时，通过后续分析，第二级节流孔板的节流作用大大弱化，随着距离的增大，整体阻力系数增加；且随着距离的增加，整体阻力系数增加速率不断放缓；当间距大于4D时，继续增加间距，整体阻力系数基本保持不变。

　　因此，在孔板设计中，间距过小的情况下，后级孔板的节流作用是受到限制的，因此在孔板设计时，两级孔板的间距应大于4D，才能保证第二级节流孔板的节流作用受第一级节流孔板的影响很小。

　　四、结论

　　本文以解决实际流体系统中节流孔板设置引起的阻力干涉问题，采用双级孔板，对孔板间距对节流作用干涉情况进行了研究，研究结论如下：

　　（一）两级孔板数值研究结果表明，当间距较小时，流经第一级节流孔板的流场未能充分发展即进入第二级节流孔板，因此节流作用干涉效应明显；随着间距的增大，第二级孔板的节流作用增大，流速云图从单“单子弹头型”分布过渡到“双子弹头型”分布，当距离足够大时，节流孔板间流场相互干涉减弱。

　　（二）两级孔板整体阻力系数随着距离的增大，整体阻力系数增加，且增加的趋势随着距离的增大不断放缓；当间距大于4D时，继续增加间距，整体阻力系数基本保持不变。

　　本研究从机制角度阐述了两级孔板流动与阻力干涉现象，可为多级孔板设计及解决节流孔板气蚀问题提供必要参考。

文章来源：《安徽科技报》https://www.zzqklm.com/w/qt/35317.html