彎徑比對HTR?10內(nèi)90°彎頭中氦氣流動特性的影響

封貝貝，王世明，任成，楊星團，姜勝耀

（清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院，先進反應(yīng)堆工程與安全教育部重點實驗室，北京100084）

彎徑比對HTR?10內(nèi)90°彎頭中氦氣流動特性的影響

封貝貝，王世明，任成，楊星團，姜勝耀

（清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院，先進反應(yīng)堆工程與安全教育部重點實驗室，北京100084）

10 MW高溫氣冷堆（HTR?10）直接利用蒸汽發(fā)生器內(nèi)的90°彎頭結(jié)構(gòu)對氦氣流量進行測量，為了保證反應(yīng)堆的安全性與經(jīng)濟性，結(jié)合實驗和數(shù)值模擬的方法研究了不同彎徑比條件下90°彎頭內(nèi)流體流動特性。依據(jù)彎頭內(nèi)、外弧面壓力分布的實驗結(jié)果對CFD計算模型的可信性進行了驗證，并針對高溫氣冷堆蒸汽發(fā)生器內(nèi)的工況，計算了不同彎徑比條件下90°彎頭處氦氣的流動特性。對比實驗結(jié)果和CFD模擬結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)管道直徑一定時，彎頭內(nèi)、外弧面的壓力呈現(xiàn)明顯的不均勻分布現(xiàn)象，彎徑比越小，內(nèi)、外弧面的壓差越大，壓力分布的變化速率也越快。對于相同彎曲角度處截面上的壓力分布來說，彎徑比越小，壓力分布的變化速率越大。

10 MW高溫氣冷堆；90°彎頭；彎徑比；數(shù)值模擬；氦氣；流動特性

隨著公眾對核電安全性重視程度的不斷提高，高溫氣冷堆以其良好的固有安全性和較高的經(jīng)濟性［1?2］在眾多民用堆型中脫穎而出，成為我國核電發(fā)展領(lǐng)域的一種重要堆型。10 MW高溫氣冷堆（以下簡稱HTR?10）的成功建設(shè)和運行以及山東石島灣高溫氣冷堆核電站示范工程的成功啟動，標(biāo)志著我國已經(jīng)向第四代核電技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用邁出了堅實的一步［3］。在HTR?10中，選用在高溫高壓條件下仍具有良好化學(xué)惰性和熱物性的氦氣作為一回路冷卻劑。在主氦風(fēng)機的驅(qū)動下，一回路的氦氣循環(huán)將堆芯裂變反應(yīng)放出的能量傳遞給蒸汽發(fā)生器，實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移。HTR?10一回路氦氣流量的準(zhǔn)確測量是獲取反應(yīng)堆運行狀態(tài)、保證反應(yīng)堆安全高效運行的基礎(chǔ)。

為保證整個反應(yīng)堆系統(tǒng)的完整性和緊湊性，HTR?10的反應(yīng)堆與蒸汽發(fā)生器采用“肩并肩”布置方案［4］。在蒸汽發(fā)生器中，高溫氦氣經(jīng)過換熱器腔室被冷卻后通過一組90°彎頭結(jié)構(gòu)進入主氦風(fēng)機入口聯(lián)箱，經(jīng)過主氦風(fēng)機再由熱氣導(dǎo)管外管流回堆芯。這一組90°彎頭結(jié)構(gòu)作為HTR?10氦氣流量測量的傳感元件對彎頭內(nèi)、外弧面的壓差信后進行采集，通過壓差與流量的對應(yīng)關(guān)系來計算準(zhǔn)確的氦氣流量值［5］。由于沒有向系統(tǒng)中引入附加節(jié)流阻力件，在一定程度上使得承壓邊界的應(yīng)力集中效應(yīng)減小、附加局部阻力損失減小，提高了HTR?10的安全性和經(jīng)濟性。想要對氦氣流量進行準(zhǔn)確測量，保證90°彎頭傳感器的可靠性和復(fù)現(xiàn)性［6］，必須對90°彎頭內(nèi)的流場特性進行深入細(xì)致的分析。本文針對不同彎徑比條件下彎頭內(nèi)的流場特點進行比較分析，探討不同彎徑比條件下彎頭內(nèi)、外弧面的壓力分布特征、彎頭截面上壓力分布以及彎頭結(jié)構(gòu)對上下游流場的影響，并對壓差信號采集的可信性進行分析。

1 實驗裝置及方法

實驗以水為工質(zhì)，在自建的90°彎頭實驗平臺上進行，實驗裝置簡圖如圖1所示。整個實驗回路的水循環(huán)由變頻泵驅(qū)動，水流量控制通過調(diào)節(jié)變頻泵的電源頻率來實現(xiàn)。為提高實驗測量的準(zhǔn)確性，應(yīng)用稱重法對實驗過程中流過實驗段的工質(zhì)質(zhì)量流量進行精確校準(zhǔn)，所采用的稱重傳感器的精度為0.5‰。實驗回路的核心部件是一個水平安裝的90°彎頭，由高精度數(shù)控車床精確加工并經(jīng)過內(nèi)表面拋光處理，彎頭內(nèi)徑Din＝96 mm，平均彎曲半徑R＝144 mm，彎徑比β＝R／Din＝1.5。為保證流體進入彎頭前能夠達到充分發(fā)展?fàn)顟B(tài)，降低上游支管、閥門等結(jié)構(gòu)對彎頭內(nèi)流場的影響，在彎頭進口處加裝了與彎頭等內(nèi)徑、長度為Lin＝1 m≈10Din的長直管段。同理，為了保證流體經(jīng)過實驗段以后能夠恢復(fù)到充分發(fā)展?fàn)顟B(tài)，在彎頭的出口處加裝了與彎頭等內(nèi)徑、長度為Lout＝1 m≈10Din的長直管段。彎頭及其進出口附近區(qū)域直管段的內(nèi)、外弧面按照一定間隔分別加工15個取壓孔來對內(nèi)部流場的壓力分布情況進行測量，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。取壓孔直徑為2.0 mm，采用EJA110A?DLS5A?22NC型差壓變送器對各個取壓口的壓力信號進行實時采集，差壓變送器精度為1.0‰，并采用高精度實時溫壓補償方案對結(jié)果進行修正處理。

圖1 壓力分布測量試驗裝置簡圖Fig.1 Pressure distribution measurement testing equipment

圖2 實驗段結(jié)構(gòu)簡圖及測壓孔位置分布Fig.2 Structural diagram of testing section with the distribution of pressure taps

通過試驗方法對不同流速下彎頭內(nèi)、外弧面的壓力分布信息進行分析研究，實驗過程中直接測量的參數(shù)為實驗段的壓力、工質(zhì)溫度、壓差傳感器取壓信號、稱重傳感器稱重信號。實驗在常溫常壓下進行，考慮試驗臺架的落差以及實驗過程中水溫的變化，對壓力和溫度進行實時測量。實驗共運行7個工況，經(jīng)過溫壓補償后換算出的管內(nèi)平均流速分別為0.57，1.08，1.63，2.18，2.68，3.22，3.58 m／s。實驗的主要目的是對90°彎頭內(nèi)流體的壓力分布特性進行初步研究，并為后續(xù)進行的CFD數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性和可靠性提供實驗支持。

2 CFD數(shù)值模擬

2.1 網(wǎng)格獨立性驗證

嚴(yán)格按照實驗回路中90°彎頭的幾何尺寸建立一個3D模型，用于CFD方法網(wǎng)格獨立性驗證。由于在數(shù)值模擬過程中，彎頭入口上游沒有支管、閥門等結(jié)構(gòu)，為減小計算量，這里上、下游直管段取為8Din。結(jié)果證明，8Din長度的前、后直管段能夠保證流體在彎頭前后達到充分發(fā)展的狀態(tài)。

利用ICEM CFD軟件對建立好的模型進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格單元全部為六面體結(jié)構(gòu)。共建立了4套精細(xì)程度不同的網(wǎng)格來驗證網(wǎng)格獨立性。考慮到彎頭內(nèi)部流場復(fù)雜，壓力場和速度場變化劇烈，采用自適應(yīng)網(wǎng)格方法對彎頭內(nèi)部壓力梯度比較大的計算域進行了細(xì)化處理。最終結(jié)果如表1所示。此結(jié)果表明細(xì)網(wǎng)格的計算結(jié)果與超細(xì)網(wǎng)格的結(jié)果在誤差允許范圍內(nèi)已無差別，為減小計算量，采用細(xì)網(wǎng)格的網(wǎng)格劃分方法已經(jīng)能夠得到足夠精確地結(jié)果。

表1 網(wǎng)格獨立性驗證結(jié)果Table 1 Validation results of grid independence

2.2 CFD細(xì)節(jié)描述

數(shù)值模擬共分2個部分。第1部分為CFD模型的驗證。數(shù)值模擬的輸入?yún)?shù)與實驗過程中的相應(yīng)參數(shù)保持一致，由于工質(zhì)為水且實驗在常溫常壓下進行，涉及的流速較低，故假設(shè)整個過程是定常、絕熱、不可壓縮的。采用廣為接受的k?ω模型針對各個工況進行數(shù)值模擬，邊界條件由實驗值提供。數(shù)值模擬的第2部分則為不同彎徑比條件下彎頭內(nèi)氦氣流動特性的數(shù)值模擬。共建立3個90°彎頭的3D模型，幾何參數(shù)如表2所示。

表2 3D模型主要幾何參數(shù)Table 2 Main parameters of the 3D model geometry

工質(zhì)為HTR?10蒸汽發(fā)生器內(nèi)高溫高壓的氦氣，工作溫度T＝250℃，工作壓力P＝7.0 MPa。網(wǎng)格處理方法與網(wǎng)格獨立性驗證中的細(xì)網(wǎng)格相同。

3 結(jié)果分析

3.1 實驗結(jié)果與CFD結(jié)果對比

在90°彎頭內(nèi)管壁的約束作用下，流體沿管壁作強迫曲線運動的同時受到強烈的離心作用而被甩向彎管外弧面，對彎管外弧面產(chǎn)生強烈的沖刷，形成正向的擠壓作用［7］，引起外弧面鄰近區(qū)域壓力升高。相應(yīng)的，內(nèi)弧面鄰近區(qū)域的流體由于被甩向外弧面而在相應(yīng)區(qū)域產(chǎn)生“抽吸”作用，使得內(nèi)弧面鄰近區(qū)域壓力降低。因此，彎頭橫斷面上的壓力呈現(xiàn)不均勻分布，沿彎頭彎曲半徑向外，彎頭內(nèi)流體區(qū)域的壓力逐漸升高，形成穩(wěn)定的壓力梯度。圖3給出了不同工況下彎頭、外弧面壓力分布實驗結(jié)果和CFD計算結(jié)果。

對比結(jié)果表明，在誤差允許范圍內(nèi)，CFD數(shù)值模擬結(jié)果的數(shù)據(jù)變化趨勢與實驗結(jié)果一致。沿流動方向，彎頭外弧面上的壓力分布在彎頭入口前的長直管段保持平穩(wěn)變化，在距入口0.5Din位置的附近區(qū)域，壓力開始出現(xiàn)明顯的升高，直至彎曲角度α＝45°位置附近區(qū)域，壓力升高至最大，繼而開始降低。模擬結(jié)果表明，直至距彎頭出口2Din的位置附近，外弧面的壓力分布迅速降低，此位置以后，壓力恢復(fù)至平穩(wěn)變化。

圖3 90°彎頭內(nèi)、外弧面上的壓力分布Fig.3 Pressure distribution of extrados and intrados of the 90°elbow

由于彎頭的阻力作用，回復(fù)后的壓力值要小于彎頭入口前的壓力值。相應(yīng)地，內(nèi)弧面壓力在彎頭入口前1Din位置附近開始逐漸降低，比外弧面的變化位置提前，直至彎曲角度α＝30°附近區(qū)域，壓力降低到最小，繼而開始升高。模擬結(jié)果表明，由于流體沖擊外弧面產(chǎn)生反射效應(yīng)［8］（流體沖擊外弧面發(fā)生反彈而流向下游的內(nèi)弧面）的影響，在彎頭出口附近區(qū)域，內(nèi)弧面的壓力在升高的過程中會超過外弧面壓力值，然后經(jīng)過充分發(fā)展，再逐漸恢復(fù)至相等水平。

外弧面上壓力分布實驗值與CFD結(jié)果的符合程度優(yōu)于內(nèi)弧面，這是由于內(nèi)弧面的線長度較小，分布同樣數(shù)量取壓點時，各取壓點之間的距離小，使得取壓點之間相互影響，同時角度定位精度較差，降低了測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。而彎頭區(qū)域（彎曲角度α＝10°～80°）的實驗值與CFD結(jié)果的符合程度優(yōu)于彎頭進、出口區(qū)域。在彎頭進、出口附近區(qū)域，一些測點的計算結(jié)果比實驗結(jié)果高出25%左右，這是因為彎頭進、出口處配有法蘭與前、后長直管段相連，制造誤差使得連接處的管徑存在差別，導(dǎo)致過渡不平滑，影響了該區(qū)域的壓力分布。

就整體而言，實驗與模擬結(jié)果對比表明，CFD數(shù)值模擬能夠?qū)?0°彎頭內(nèi)的流場進行準(zhǔn)確的模擬，利用CFD方法研究彎徑比對90°彎頭內(nèi)流場的影響是切實可行的。

3.2 不同彎徑比彎管CFD結(jié)果分析

應(yīng)用上述內(nèi)容所驗證過的CFD方法對不同彎徑比條件下彎頭內(nèi)的氦氣流動進行了數(shù)值模擬。模擬工況對應(yīng)HTR?10穩(wěn)態(tài)工況，氦氣溫度T＝250℃，壓力P＝7.0 MPa，由此計算出氦氣密度ρ＝6.335 kg／m3，動力粘度μ＝2.938×10-5Pa· s［9］。通過管路的質(zhì)量流量為G＝6.86 kg／s，由于3種模型采用的管徑相同，管內(nèi)的平均流速均為V＝25.4 m／s。

3.2.1 內(nèi)、外弧面上壓力分布結(jié)果

不同彎徑比條件下，內(nèi)外弧面上的壓力分布趨勢一致，與前述實驗結(jié)果和模擬結(jié)果相符合。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，在入口邊界條件相同的前提下，管道內(nèi)的平均速度是相等的，但是由于流體在不同彎徑比彎頭內(nèi)流動時，流動速度和方向變化的劇烈程度不同，使得內(nèi)外弧面所產(chǎn)生的壓力差也不同。彎徑比越小，內(nèi)外弧面上的壓力變化越劇烈（見圖4（a）），所產(chǎn)生的壓力差也越大。

這是因為彎徑比較小時（β＝1.0），彎頭轉(zhuǎn)彎半徑小，流體在彎頭內(nèi)運動時速度方向改變地更加劇烈，受到的離心作用增強，對外弧面的沖擊作用增強，而對內(nèi)弧面附近區(qū)域的“抽吸”作用也相應(yīng)增強，最終導(dǎo)致外弧面壓力更高，而內(nèi)弧面壓力更低（相對于β＝1.5和β＝2.0的結(jié)果）。從圖4中還可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)彎徑比較小時，β＝1.0和β＝1.5的彎頭出口附近區(qū)域內(nèi)弧面壓力恢復(fù)過程有明顯波動，而β＝2.0的彎頭則未出現(xiàn)波動，恢復(fù)過程很平滑。這是由于小彎徑比時，管內(nèi)流體在沖擊外弧面時沖擊角度較大，反射效應(yīng)明顯，使得內(nèi)弧面上壓力出現(xiàn)明顯波動。當(dāng)彎徑比比較大時，由于沖擊角度較小，反射效應(yīng)不明顯，被彎頭內(nèi)其他較為強烈的復(fù)雜流動“吞噬”而無法顯現(xiàn)。

圖4 90°彎頭內(nèi)、外弧面上的壓力和壓差分布Fig.4 Pressure and pressure difference distribution of extrados and intrados of the 90°elbow

3.2.2 彎頭橫斷面對稱軸上壓力分布結(jié)果

在彎頭橫斷面對稱軸上，壓力分布與前述的分析結(jié)果一致。沿彎曲半徑指向外弧面方向，對于α＝0°和α＝45°的橫斷面對稱軸，壓力由內(nèi)弧面上的最小值逐漸升高至外弧面上的最大值。彎徑比越小，內(nèi)、外弧面壓力差越大，壓力變化曲線也越陡，如圖5所示。對于α＝90°的橫斷面對稱軸，在內(nèi)弧面附近區(qū)域，壓力變化趨勢與彎徑比有關(guān)。彎徑比β＝1.0時，變化趨勢與1、2相同。彎徑比β＝1.5時，在內(nèi)弧面附近區(qū)域的一段距離內(nèi)，壓力值幾乎保持不變，然后逐漸增大至外弧面最大值。彎徑比β＝2.0時，在內(nèi)弧面附近區(qū)域的一段距離內(nèi)，壓力先是從內(nèi)弧面壓力值（非最小值）降低至最小值，然后逐漸升高至外弧面的最大值。出現(xiàn)這一差異的原因是在彎頭出口（α＝90°）附近區(qū)域，內(nèi)弧面會發(fā)生一定程度的流動分離［10］，使得該區(qū)域的壓力分布變得更為復(fù)雜。這與流體的流速和彎頭的彎徑比有關(guān)。

圖5 不同彎徑比條件下90°彎頭橫斷面對稱軸上壓力分布Fig.5 Pressure distribution of cross?sectional axis of 90° elbow with a series of bend diameter ratio

4 結(jié)論

1）本文將實驗研究與數(shù)值模擬相結(jié)合，對90°彎頭內(nèi)部流場進行了對比分析，實驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果吻合很好，誤差在合理范圍內(nèi)。

2）利用經(jīng)過驗證的CFD方法研究了不同彎徑比條件下彎頭內(nèi)流場的壓力分布規(guī)律，當(dāng)管道直徑一定時，彎頭內(nèi)、外弧面的壓力呈現(xiàn)明顯的不均勻分布現(xiàn)象，彎徑比越小，內(nèi)、外弧面的壓差越大，壓力分布的變化速率也越快。

3）對于相同彎曲角度處橫斷面對稱軸上的壓力分布，彎徑比越小，壓力分布的變化速率越大，內(nèi)弧面附近區(qū)域的壓力變化規(guī)律與彎徑比有關(guān)。

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Influence of the ratio of curvature and diameter on the flow characteristics of helium in the 90°elbow of HTR?10

FENG Beibei，WANG Shiming，REN Cheng，YANG Xingtuan，JIANG Shengyao

（Key Laboratory of Advanced Reactor Engineering and Safety of Ministry of Education，Institute of Nuclear and New Energy Technolo?gy，Tsinghua University，Beijing 100084，China）

In the high temperature reactor HTR?10，the 90°elbow is directly employed in measuring the helium flow rate.It is very necessary to make an in?depth and detailed analysis of this measurement method in order to guaran?tee the security and economical efficiency of the reactor.A series of experiments and numerical simulation were made to study the helium flow characteristics in the 90°elbow of HTR?10 under various ratios of curvature and di?ameter.The dependability of the CFD computation model was validated by the test results of the pressure distribu?tion of intrados and extrados.The flow characteristics of helium in the 90°elbow under various ratios of curvature and diameter were calculated as a working efficiency aid in the HTR steam generator.By comparing the experiment data and the CFD simulation results，with the same pipe diameter，the pressure distribution on the intrados and ex?trados of the elbow was asymmetrical.The smaller the ratio，the larger the pressure difference between the intrados and extrados，and also the greater the variation of the pressure distribution.Given a cross section with the same curve angle，the smaller the ratio，the greater the variation of the pressure distribution.

HTR?10；90°elbow；ratio of curvature and diameter；numerical simulation；helium；flow characteristics

10.11990／jheu.201412060

TL334

：A

：1006?7043（2015）11?1438?05

http：／／www.cnki.net／kcms／detail／23.1390.u.20150921.1014.002.html

2014?12?21.網(wǎng)絡(luò)出版日期：2015?09?21.

國家自然科學(xué)基金資助項目（31400849）；高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金項目（20130002120015）.

封貝貝（1985?），男，助理研究員，博士.

封貝貝，E?mail：fengbeibei＠tsinghua.edu.cn.