10 MW高溫氣冷堆90°彎頭內(nèi)氦氣流動(dòng)特性分析

王世明，封貝貝，任 成，楊星團(tuán)，姜?jiǎng)僖?/p>

（清華大學(xué) 核能與新能源技術(shù)研究院 先進(jìn)反應(yīng)堆工程與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）

10 MW高溫氣冷堆90°彎頭內(nèi)氦氣流動(dòng)特性分析

王世明，封貝貝＊，任 成，楊星團(tuán)，姜?jiǎng)僖?/p>

（清華大學(xué) 核能與新能源技術(shù)研究院 先進(jìn)反應(yīng)堆工程與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）

為了在10MW高溫氣冷堆中引入彎頭傳感器，通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法對(duì)90°彎頭內(nèi)流體的流動(dòng)特性進(jìn)行了研究，以實(shí)驗(yàn)獲得的彎頭內(nèi)弧面和外弧面上的壓力分布數(shù)據(jù)來對(duì)CFD模型計(jì)算的可信性進(jìn)行評(píng)估，并應(yīng)用驗(yàn)證后的CFD模型對(duì)高溫氣冷堆蒸汽發(fā)生器內(nèi)90°彎頭處氦氣的流動(dòng)特性進(jìn)行數(shù)值模擬。通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和CFD模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果基本趨于一致，90°彎頭內(nèi)、外弧面的壓力呈現(xiàn)明顯的不均勻分布現(xiàn)象，在彎曲角度α＝30°～50°之間，內(nèi)、外弧面的壓力差達(dá)到最大值并持續(xù)保持一段位置，k-ω模型能用于預(yù)測(cè)10MW高溫氣冷堆蒸汽發(fā)生器內(nèi)90°彎頭處氦氣的流動(dòng)特性。

10MW高溫氣冷堆；90°彎頭；數(shù)值模擬；氦氣

高溫氣冷堆由于具有良好的固有安全性以及較高的發(fā)電效率等優(yōu)良特點(diǎn)［1－2］，在我國(guó)核電發(fā)展領(lǐng)域占據(jù)了舉足輕重的地位，特別是10MW高溫氣冷堆（簡(jiǎn)稱HTR-10）的成功建設(shè)和運(yùn)行，標(biāo)志著我國(guó)在高溫氣冷堆研發(fā)方面取得了突破性成果。具有良好化學(xué)惰性和熱物性的氦氣充當(dāng)高溫氣冷堆一回路的冷卻劑，其作用是將堆芯核裂變產(chǎn)生的能量經(jīng)過一回路的循環(huán)傳遞給蒸汽發(fā)生器，實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)移。因此，10MW高溫氣冷堆一回路氦氣流量的準(zhǔn)確測(cè)量對(duì)于反應(yīng)堆熱功率的計(jì)算以及核安全是至關(guān)重要的。但由于反應(yīng)堆系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的限制以及測(cè)量環(huán)境的惡劣影響，許多流量測(cè)量方法皆不能適用于高溫氣冷堆一回路氦氣流量的測(cè)量。

考慮到10MW高溫氣冷堆一回路在設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)保留一些90°彎頭結(jié)構(gòu)以保證整個(gè)系統(tǒng)的完整性和緊湊性，特提出應(yīng)用這些“天然”存在的特殊結(jié)構(gòu)作為氦氣流量監(jiān)測(cè)的傳感元件來進(jìn)行氦氣流量的測(cè)量。這種測(cè)量方法的原理是當(dāng)流體流過90°彎頭時(shí)由于離心力的作用，會(huì)在彎頭的內(nèi)、外弧面產(chǎn)生一個(gè)壓力差，此壓力差與流體的平均流速以及彎頭的幾何參數(shù)有著確定的關(guān)系，且具有良好的可靠性和復(fù)現(xiàn)性［3］。向高溫氣冷堆中引入彎頭流量測(cè)量系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)非常明顯，它利用了原本就存在于系統(tǒng)中的90°彎頭來采集壓差信號(hào)，未向系統(tǒng)中引入附加的節(jié)流阻力件（阻力件前后壓差巨大，應(yīng)力集中）以及其他復(fù)雜結(jié)構(gòu)，從而在一定程度上減輕了一回路的應(yīng)力集中現(xiàn)象，減小了附加的流動(dòng)阻力損失，能使得高溫氣冷堆的安全性和經(jīng)濟(jì)性獲得明顯的提升。但從另一方面來說，90°彎頭會(huì)對(duì)流體流動(dòng)產(chǎn)生強(qiáng)烈的擾動(dòng)，在彎頭的上游和下游，速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)均會(huì)發(fā)生劇烈的變化，這對(duì)壓力信號(hào)的采集和流量的準(zhǔn)確測(cè)量是不利的。因此，有必要對(duì)10MW高溫氣冷堆中高溫高壓的氦氣流動(dòng)進(jìn)行進(jìn)一步的深入研究，以保證彎頭傳感器在氦氣流量測(cè)量時(shí)的準(zhǔn)確性和可靠性。

1 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)在自建的90°彎頭循環(huán)回路上進(jìn)行。為了采集90°彎頭內(nèi)、外弧面以及彎頭進(jìn)、出口附近區(qū)域的壓力分布信號(hào)，實(shí)驗(yàn)回路的核心部件為一水平放置的、帶有30個(gè)取壓孔的90°彎頭，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。90°彎頭內(nèi)徑Din＝96mm，彎頭的平均彎曲半徑R＝144mm，彎徑比β＝R／Din＝1.5。為降低上游支管、閥門等結(jié)構(gòu)對(duì)實(shí)驗(yàn)段處流場(chǎng)的影響，特在彎頭進(jìn)口處加裝了長(zhǎng)度L＝1m≈10Din的長(zhǎng)直管段，以保證在進(jìn)入90°彎頭之前，流體的流動(dòng)已達(dá)到穩(wěn)態(tài)。同樣，為使流體流出彎頭后能恢復(fù)穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，在彎頭的出口處也加裝了長(zhǎng)度L＝1m≈10Din的長(zhǎng)直管段。30個(gè)取壓孔分別布置在彎頭的內(nèi)弧面和外弧面（彎曲角度α分別為5°、15°、22.5°、35°、45°、53°、58°、70°、85°）以及彎頭進(jìn)、出口附近（與進(jìn)、出口端面的距離d分別為0.5Din、1.0Din、1.5Din）的位置。采用EJA110A-DLS5A-22NC型差壓變送器對(duì)各取壓口的壓力信號(hào)進(jìn)行采集，差壓變送器精度為0.1%，并采用高精度溫壓實(shí)時(shí)補(bǔ)償方案。實(shí)驗(yàn)回路的水流量通過控制變頻泵的電源頻率來進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過稱重法來對(duì)質(zhì)量流量進(jìn)行校準(zhǔn)，稱重傳感器的精度為0.05%。

圖1 實(shí)驗(yàn)段結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖及取壓孔位置分布Fig.1 Schematic diagram of experimental section and distribution of pressure taps

通過實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)90°彎頭內(nèi)不同流速情況下彎頭內(nèi)、外弧面的壓力分布進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)測(cè)量的參數(shù)主要包括系統(tǒng)壓力、系統(tǒng)溫度、各取壓孔壓差信號(hào)和稱重信息。本實(shí)驗(yàn)的主要目的是研究流體在90°彎頭內(nèi)流動(dòng)時(shí)的壓力分布特性以及驗(yàn)證CFD模型的準(zhǔn)確性和可靠性。實(shí)驗(yàn)在常溫常壓下進(jìn)行，共進(jìn)行7個(gè)工況的數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過溫壓補(bǔ)償后，7個(gè)工況下由質(zhì)量流量換算出的管內(nèi)平均流速分別為0.57、1.08、1.63、2.18、2.68、3.22、3.58m／s。

2 CFD數(shù)值模擬

為獲取90°彎頭內(nèi)更多的流場(chǎng)信息，同時(shí)驗(yàn)證CFD模型的準(zhǔn)確性和可靠性，按照實(shí)驗(yàn)回路90°彎頭的幾何特征建立了3D模型用于數(shù)值計(jì)算。3D模型中彎頭的幾何特征與實(shí)驗(yàn)段的彎頭完全相同，但由于采用均勻速度入口邊界條件，無上游支管、閥門等結(jié)構(gòu)的影響，管內(nèi)流動(dòng)較穩(wěn)定，能在較短的距離內(nèi)達(dá)到充分發(fā)展?fàn)顟B(tài)，為減小計(jì)算量，本文CFD幾何模型的上、下直管段長(zhǎng)度取為L(zhǎng)＝8Din。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果證明，8Din的直管段能保證流動(dòng)的充分發(fā)展。

為使計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠，借助ICEM CFD網(wǎng)格劃分軟件對(duì)計(jì)算域全部采用三維六面體網(wǎng)格單元進(jìn)行了劃分。在4種網(wǎng)格條件下對(duì)網(wǎng)格獨(dú)立性進(jìn)行了檢驗(yàn)（表1）。

表1 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證結(jié)果Table 1 Results of grid independence test

通過對(duì)4種網(wǎng)格條件下的初步計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，在彎頭外弧面α＝45°處，采用細(xì)網(wǎng)格和超細(xì)網(wǎng)格時(shí)，兩種網(wǎng)格條件下靜壓的相對(duì)偏差小于0.2%，完全滿足工程誤差要求。為減小計(jì)算量，采用細(xì)網(wǎng)格的方案對(duì)本文涉及到的幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。細(xì)網(wǎng)格方案在邊界層處進(jìn)行了細(xì)化處理，近壁第一層網(wǎng)格厚度為0.1mm，厚度增長(zhǎng)率（從壁面開始的第n＋1層網(wǎng)格厚度與第n層網(wǎng)格厚度的比值，n≥1）設(shè)置為1.1。與此同時(shí)，考慮到彎頭內(nèi)部的壓力變化較為劇烈，為進(jìn)一步提高計(jì)算精度，捕獲更多的流場(chǎng)信息，采用自適應(yīng)網(wǎng)格法對(duì)計(jì)算域中壓力梯度較大區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行了進(jìn)一步的細(xì)化處理。

由于本文涉及的流速較低，且在常溫常壓下進(jìn)行，故假設(shè)水在90°彎頭內(nèi)的流動(dòng)是定常、絕熱、不可壓縮的。采用k-ω模型對(duì)實(shí)驗(yàn)條件下的7個(gè)工況分別進(jìn)行了數(shù)值模擬，并將實(shí)驗(yàn)推算出的平均流速作為數(shù)值模擬的速度入口邊界條件。計(jì)算工況的邊界初始條件與實(shí)驗(yàn)工況完全一致。

CFD模型經(jīng)驗(yàn)證后，重新依據(jù)HTR-10蒸汽發(fā)生器內(nèi)的90°彎頭結(jié)構(gòu)搭建了3D模型，包括內(nèi)徑Din＝233mm、β＝R／Din＝1.5的90°彎頭和長(zhǎng)度均為L(zhǎng)＝8Din的上、下游直管段。依據(jù)與前文相同的原則對(duì)計(jì)算域網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化處理。工質(zhì)為氦氣，工作溫度t＝250℃，工作壓力p＝7.0MPa，氦氣質(zhì)量流量G＝6.86kg／s。

3 結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與CFD計(jì)算結(jié)果對(duì)比

流體流經(jīng)90°彎頭的過程中，由于受到管壁的約束作用，流體沿著彎頭作強(qiáng)迫圓周運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生慣性離心力，動(dòng)量也會(huì)隨之發(fā)生劇烈的變化［4－5］。離心力的作用使得流體對(duì)彎頭的外弧面產(chǎn)生正向的擠壓作用，而對(duì)彎頭內(nèi)弧面則產(chǎn)生負(fù)向的牽引作用，導(dǎo)致了彎頭斷面上壓力的不均勻分布［6］。沿著彎頭的彎曲半徑方向，壓力逐漸升高。

彎頭內(nèi)、外弧面的壓力分布沿彎頭彎曲角度α的變化呈現(xiàn)一定的規(guī)律。圖2示出3個(gè)工況（流速v為0.5、1.5、2.5m／s）下彎頭內(nèi)、外弧面壓力分布的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和CFD計(jì)算結(jié)果。由圖2可見，90°彎頭內(nèi)、外弧面壓力分布的CFD數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合良好。對(duì)于各工況下彎頭外弧面上的壓力分布，除彎頭進(jìn)口之前、出口之后附近區(qū)域的個(gè)別實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)與計(jì)算結(jié)果偏差較大外，在彎頭區(qū)域（α＝10°～80°）的外弧面上實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值吻合得很好。而對(duì)于彎頭內(nèi)弧面上的壓力分布，計(jì)算值總體上略高于實(shí)驗(yàn)值，吻合程度明顯不及外弧面上的數(shù)據(jù)，尤其是在彎頭進(jìn)口之前、出口之后附近區(qū)域的個(gè)別測(cè)量點(diǎn)上，計(jì)算結(jié)果較實(shí)驗(yàn)結(jié)果高20%～30%左右。造成這一結(jié)果的原因主要是，相對(duì)于外弧面，內(nèi)弧面的弧長(zhǎng)較短，取壓孔分布太過密集，角度定位的誤差較大，同時(shí)取壓孔之間會(huì)產(chǎn)生一定程度的相互干擾，導(dǎo)致取壓結(jié)果受到一定的影響。與此同時(shí)，90°彎頭的引入會(huì)誘導(dǎo)產(chǎn)生二次流以及邊界層分離現(xiàn)象，這對(duì)測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性也有較大的影響。

在彎頭進(jìn)口之前、出口之后的附近區(qū)域，實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值差別較大。這是因?yàn)閺濐^進(jìn)口和出口通過法蘭與上、下游直管段連接，制造過程中產(chǎn)生的誤差使得接口處的管徑和圓度存在誤差，導(dǎo)致過渡不平滑，引起流動(dòng)的擾動(dòng)，使最終的測(cè)量結(jié)果誤差較大。

總地來說，CFD計(jì)算結(jié)果能較好地模擬90°彎頭內(nèi)、外弧面的壓力分布狀況，這為應(yīng)用數(shù)值方法研究高溫氣冷堆蒸汽發(fā)生器90°彎頭內(nèi)氦氣的流動(dòng)特性提供了依據(jù)。

3.2 氦氣流動(dòng)的數(shù)值模擬

應(yīng)用經(jīng)過驗(yàn)證的CFD模型對(duì)HTR-10穩(wěn)態(tài)工況下蒸汽發(fā)生器90°彎頭內(nèi)的氦氣流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。此工況下，氦氣的溫度t＝250℃，壓力p＝7.0MPa，由此計(jì)算出氦氣的密度ρ＝6.335kg／m3，動(dòng)力黏度μ＝2.938× 10－5Pa·s［7］。

彎頭不同截面上的壓力等值線如圖3所示。觀察發(fā)現(xiàn)，壓力分布的不均勻區(qū)域隨著截面位置向下游的變化而逐漸增大，由內(nèi)弧面區(qū)域逐漸向外弧面區(qū)域擴(kuò)展。壓力分布的不均勻性對(duì)壓力測(cè)量的準(zhǔn)確性有著直接的影響，這也是前文所述外弧面的壓力測(cè)量值與計(jì)算值吻合程度好于內(nèi)弧面的原因之一。彎頭截面壓力的不均勻分布，表現(xiàn)出壓力與慣性力的平衡，而慣性力的大小與速度大小是相關(guān)聯(lián)的。建立彎頭內(nèi)、外弧面的壓力與彎頭內(nèi)氦氣流速之間的關(guān)系，即可利用彎頭傳感器來測(cè)量高溫氣冷堆蒸汽發(fā)生器內(nèi)氦氣的流量。

圖2 90°彎頭內(nèi)、外弧面的壓力分布Fig.2 Pressure distribution on extrados and intrados of 90°elbow

從截面Ⅳ位置開始，內(nèi)弧面附近區(qū)域逐漸形成兩個(gè)對(duì)稱的低壓核心區(qū)。隨著觀測(cè)截面位置向下游的移動(dòng)，核心區(qū)域逐漸擴(kuò)大，且核心的位置由內(nèi)弧面逐漸向外弧面移動(dòng)。低壓核心區(qū)是由彎頭誘導(dǎo)的二次流引起的，其形態(tài)和尺度的發(fā)生、發(fā)展過程可間接反映出二次流的發(fā)生、發(fā)展過程。

圖3 不同截面上的壓力等值線Fig.3 Pressure contour of different cross-sections

圖4示出由數(shù)值模擬方法得到的HTR-10蒸汽發(fā)生器彎頭內(nèi)、外弧面的壓力分布。從圖4可看出，彎頭外弧面上的壓力分布在彎頭進(jìn)口和出口附近變化較為劇烈，而在α＝20°～60°之間時(shí)，外弧面上的壓力達(dá)到最大值，且變化非常平緩，表現(xiàn)出一定的穩(wěn)定性。相較于外弧面，內(nèi)弧面上的壓力分布變化較為劇烈，變化的幅度也顯著大于外弧面，且內(nèi)弧面的壓力在最低點(diǎn)時(shí)并未表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。內(nèi)、外弧面壓差分布曲線表明，在α＝30°～50°的區(qū)間內(nèi)，壓差達(dá)到最大值且變化平緩，壓差最小值與最大值之間的相對(duì)誤差小于1.0%，這對(duì)準(zhǔn)確測(cè)量?jī)?nèi)、外弧面的壓差，預(yù)測(cè)氦氣流量是非常有利的，因?yàn)榧词谷嚎孜恢门c理論值有所偏移，但由于其位置附近的壓差較穩(wěn)定，壓力測(cè)量值仍可用于氦氣流量的計(jì)算。

圖4 氦氣流經(jīng)90°彎頭時(shí)內(nèi)、外弧面壓力分布Fig.4 Pressure distribution of intrados and extrados of helium gas flowing through 90°elbow

4 結(jié)論

對(duì)90°彎頭內(nèi)的流體流動(dòng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬，得到了彎頭內(nèi)、外弧面的壓力分布數(shù)據(jù)，并應(yīng)用驗(yàn)證過的CFD模型對(duì)HTR-10蒸汽發(fā)生器90°彎頭內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到如下結(jié)論：

1）離心力的作用使得流體對(duì)彎頭的外弧面產(chǎn)生正向的擠壓作用，而對(duì)彎頭內(nèi)弧面則產(chǎn)生負(fù)向的牽引作用，導(dǎo)致壓力在彎頭截面上分布不均勻；

2）k-ω模型能對(duì)90°彎頭內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行比較精確的數(shù)值模擬，為研究高溫氣冷堆蒸汽發(fā)生器90°彎頭內(nèi)氦氣的流動(dòng)特性提供了依據(jù)，可作為開展相關(guān)研究的有力工具；

3）90°彎頭內(nèi)低壓核心區(qū)是由彎頭誘導(dǎo)的二次流引起的，其形態(tài)和尺度的發(fā)生、發(fā)展過程可間接反映出二次流的發(fā)生、發(fā)展過程；

4）在α＝30°～50°的區(qū)間內(nèi)，彎頭內(nèi)、外弧面的壓差達(dá)到最大值且變化平緩，這對(duì)準(zhǔn)確測(cè)量?jī)?nèi)、外弧面的壓差，預(yù)測(cè)氦氣流量是非常有利的。

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Characteristics of Helium Gas Flowing through 90°Elbow in HTR-10

WANG Shi-ming，F(xiàn)ENG Bei-bei＊，REN Cheng，YANG Xing-tuan，JIANG Sheng－yao
（Key Laboratory of Advanced Reactor Engineering and Safety of Ministry of Education，Institute of Nuclear and New Energy Technology，Tsinghua University，Beijing100084，China）

In order to apply the elbow sensor in 10MW High Temperature Gas-cooled Reactor（HTR-10），both of experimental measurements and numerical simulation were utilized to research the fluid flow characteristics in a 90°elbow pipe.The experimental data about the pressure distribution on the intrados and extrados of the elbow were used for validating the credibility of the computational approach and then the helium flow characteristics in the 90°elbow of the steam generator of HTR-10were simulated with the verified CFD model.Both measured and predicted wall static pressure distributions of 90°elbow are in satisfactory agreement.The pressure on the intrados and extrados performs an asymmetrical distribution according to the numerical and experimental results，and the pressure difference approaches its maximum on the cross sections ofelbow arch between anglesα＝30°-50°.The main flow characteristics in the elbow of HTR-10can be successfully captured using CFD method.

10MW High Temperature Gas-cooled Reactor；90°elbow；numerical simulation；helium gas

TL334

：A

1000-6931（2015）04-0634-06

10.7538／yzk.2015.49.04.0634

2014-01-20；

2014-09-23

高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金資助項(xiàng)目（20130002120015）；摩擦學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目（SKLTKF12B16）

王世明（1988—），男，湖

北竹溪人，博士研究生，核能科學(xué)與工程專業(yè)

＊通信作者：封貝貝，E-mail：fengbeibei＠tsinghua.edu.cn