大雙螺旋穩壓器噴霧頭阻力特性數值分析研究①

孫 燕 陳 聰 李發強 汪 宇 王 月

(1.中國核動力研究設計院核反應堆系統設計技術重點實驗室；2. 森泰英格(成都)數控刀具有限公司；3. 中國成達工程有限公司)

大雙螺旋穩壓器噴霧頭阻力特性數值分析研究①

孫 燕1陳 聰1李發強2汪 宇1王 月3

(1.中國核動力研究設計院核反應堆系統設計技術重點實驗室；2. 森泰英格(成都)數控刀具有限公司；3. 中國成達工程有限公司)

通過計算流體力學(CFD)方法，研究了大雙螺旋穩壓器噴霧頭內部的流動情況，分析了小混合室、大混合室的結構和螺旋流道螺旋角對噴霧頭流量系數的影響。通過分析得到，混合室結構中，最終影響流量系數的因素為混合室的出口直徑；小混合室出口直徑越大，流量系數越大；大混合室出口直徑越大，流量系數越小；在所研究的范圍內，大混合室出口直徑對流量系數的影響更明顯；內、外芯螺旋流道的螺旋角越大，流量系數越大。

穩壓器 大雙螺旋噴霧頭 阻力特性 流量系數 計算流體力學(CFD)

在壓水堆一回路系統中，穩壓器頂部的噴霧頭與冷卻劑系統的冷管段相連[1]，當穩壓器上部的飽和蒸汽壓力高時，噴霧頭通過對飽和蒸汽進行噴淋以達到降壓的效果[2，3]。噴霧頭的霧化性能直接決定了它緩解系統壓力正波動的能力。壓水堆穩壓器廣泛采用離心式噴霧頭，在離心式噴霧頭中，過冷水進入噴霧頭后，經過螺旋流道使水流方向發生改變，產生旋轉后到達噴嘴前端的混合室，增加水流的湍流強度后，再由噴嘴噴出[4]，其霧化性能取決于噴霧頭出入口的壓差和內部結構。

以往對穩壓器噴霧頭阻力特性的研究主要建立在經驗和試驗的基礎上。筆者通過計算流體力學方法(CFD)，研究大雙螺旋噴霧頭內部的流動情況，分析小混合室、大混合室的結構和螺旋流道螺旋角對噴霧頭阻力特性的影響，為穩壓器大雙螺旋噴霧頭的設計提供參考。

1 噴霧頭阻力特性分析

在噴霧頭的設計計算中，由于流體從噴霧頭的前部管段流入噴霧頭，最后由噴霧頭的噴口流出，不論流體在噴霧頭內部的運動過程如何，可視為恒定壓差下流體經管嘴的運動，其流量與噴霧頭噴口和壓頭的關系為[5]：

(1)

式中g——重力加速度，9.81m/s2；

H——噴霧頭壓頭，米水柱；

Q——流經噴霧頭的流體流量，m3/s；

μ——流量系數；

ω——噴霧頭噴口的斷面積，m2。

用Δp/ρg代替式(1)中的H，用ωV(V為出口流速，m/s)代替Q，得到：

(2)

式中 Δp——噴霧頭出入口的壓降，Pa；

ρ——流體密度，kg/m3。

綜上所述，對大雙螺旋噴霧頭阻力特性的研究主要是對其流量系數μ的研究。

2 計算模型及條件

2.1 計算結構模型

大雙螺旋噴霧頭由內芯、外芯和外殼組成。筆者所用的計算結構模型參考文獻[5]中的大雙螺旋噴霧頭結構，通過適當修改得到如圖1a所示的大雙螺旋噴霧頭流體區域的結構。外芯均勻分布6個螺旋流道，內芯均勻分布4個螺旋流道，中間為直形流道。直形流道和內芯螺旋流道內的流體在小混合室混合后，與外芯螺旋流道的流體在大混合室混合，最終由出口噴出。計算時，在噴霧頭前端增加1段直管段，以使入口邊界只有1個。整個計算結構模型的剖面如圖1b所示。結構模型中，內芯和外芯螺旋流道的螺旋角α為45°，小混合室的導錐角β為30°，長度h1為26.2mm，出口直徑d1為23.1mm，大混合室的導錐角γ為35.7°，長度h2為67.8mm，出口直徑d2為29mm。

圖1 大雙螺旋噴霧頭的計算結構模型

2.2 控制方程

噴霧頭內流體運動的控制方程包括連續方程、動量方程和能量方程[6]：

(3)

(4)

(5)

式中cp——流體的定壓比熱容，J/(kg·K)；

gi——重力加速度在i方向上的分量，m/s2；

h——流體的比焓，J/kg；

p——流體的時均壓力，Pa；

S——能量方程的源項，J/(m3·s)；

ui、uj——流體的時均速度分量，m/s，i、j=1，2，3；

ui′——速度ui的脈動量，m/s，i=1，2，3；

θ——溫度T的脈動量，K；

λ——流體的導熱系數，W/(m·K)；

μ——層流動力粘性系數，kg/(m·s)；

求解器采用ANSYS CFX。 由于噴霧頭內的流體在出入口壓差作用下高速旋轉，因此為湍流流動，計算中采用RNGk-ε湍流模型。

2.3 計算條件

流體介質為單相水；入口取質量流量邊界條件，參考文獻[5]中噴霧流量為15～30t/h時推薦的噴霧頭類型為大雙螺旋噴霧頭，因此噴霧流量取該流量范圍之內的26.28t/h(25℃，0.1MPa)；出口邊界條件取壓力邊界條件，相對壓力為0MPa；壁面設為絕熱，采用無滑移邊界條件，粗糙度為0.006 3mm。

采用Workbench進行四面體網格劃分(圖2)。通過網格敏感性分析，取網格數量為66萬個。

圖2 大雙螺旋噴霧頭的網格劃分情況

3 大雙螺旋噴霧頭阻力特性研究

3.1 噴霧頭內流動情況研究

對于圖1所示的大雙螺旋噴霧頭結構模型，計算得到噴霧頭內的流線圖如圖3所示，剖面上的速度和壓力分布云圖分別如圖4、5所示。由圖可知，流經內芯螺旋流道內的流體，沿著螺旋流道以較高的流速進入小混合室后，部分沿著腔室壁面高速旋轉，部分與流經中間直形流道的流體混合，之后由小混合室的噴口噴入大混合室；流經外芯螺旋流道內的流體流入大混合室后，部分沿著腔室壁面高速旋轉，部分與小混合室噴出的流體 混合，最終由大混合室的噴嘴噴出。由于流經中間直形流道的流體在小混合室、大混合室內與螺旋流道流出的部分流體混合、疊加，使得小混合室、大混合室的中心流速較高；混合室內流體的旋轉流動使得流體受離心力作用向外圍流動，因此壁面處流體聚集，壓力較大，而中心處由于受離心力作用，壓力較低。

圖3 大雙螺旋噴霧頭內流線圖

圖4 剖面速度云圖

圖5 剖面壓力云圖

經過計算，得到噴霧頭出入口的壓降為0.2MPa，由式(2)計算得到其流量系數為0.555。

3.2 小混合室結構對流量系數的影響

圖1所示的結構模型中，小混合室的導錐角β為30°，長度h1為26.2mm，出口直徑d1取值為23.1mm。

保持小混合室長度h1不變，改變小混合室的 導錐角β。表1為幾組β值對應的小混合室的

表1 幾組β值和對應的d1、μ值

出口直徑d1和計算得到的對應的流量系數μ。

保持小混合室導錐角β不變，改變小混合室的長度h1。表2為幾組h1值對應的小混合室的出口直徑d1和計算得到的對應的流量系數μ。

表2 幾組h1值和對應的d1、μ值

由表1、2可知，改變小混合室的導錐角β和長度h1最終均使得小混合室出口直徑d1(即出口截面積)發生了變化，這兩者的改變導致噴霧頭流量系數μ隨小混合室出口直徑d1的變化趨勢如圖6所示。

圖6 流量系數隨小混合室出口直徑的變化

由圖6可知，當小混合室出口直徑相同時(即出口截面積相同)，小混合室導錐角的改變和小混合室長度的改變引起的噴霧頭流量系數變化差別比較小，可以認為在小混合室的結構中，最終影響噴霧頭流量系數的因素為小混合室的出口直徑(即出口截面積)，出口直徑越小，噴霧頭的流量系數越小，反之越大。原因在于，噴霧流量不變時，噴霧頭出口流速不變，而小混合室的出口直徑越小，相當于噴霧頭的阻力越大，由式(2)可知，噴霧頭的流量系數就越小，反之亦然。

經計算，在所研究的范圍內，小混合室出口直徑每減小1mm，噴霧頭流量系數平均減小0.005。

3.3 大混合室結構對流量系數的影響

圖1所示的結構模型中，大混合室的導錐角γ為35.7°，長度h2為67.8mm，出口直徑d2為29mm。為了得到大混合室結構對流量系數的影響，進行了如下的研究。

保持大混合室長度h2不變，改變大混合室的導錐角γ。表3為幾組γ值對應的大混合室的出口直徑d2和計算得到的對應的流量系數μ。

表3 幾組γ值和對應的d2、μ值

保持大混合室導錐角γ不變，改變大混合室的長度h2。表4為幾組h2值對應的大混合室的出口直徑d2和計算得到的對應的流量系數μ。

表4 幾組h2值以及對應的d2、μ值

由表3、4可知，改變大混合室的導錐角γ和改變大混合室長度h2最終均使得大混合室出口直徑d2(即出口截面積)發生了變化，這兩者的改變導致噴霧頭的流量系數μ隨大混合室出口直徑d2的變化趨勢如圖7所示。可見，當大混合室出口直徑相同時(即出口截面積相同)，大混合室導錐角的改變和大混合室長度的改變引起的噴霧頭流量系數變化差別很小，可見在大混合室的結構中，最終影響噴霧頭流量系數的因素為大混合室的出口直徑(即出口截面積)，出口直徑越小，噴霧頭的流量系數越大，反之越小。原因在于，大混合室的出口直徑越小，噴霧頭的阻力越大，相當于式(2)中Δp越大，而噴霧流量不變時，噴霧頭出口流速V隨出口直徑減小而增大，由于V2增大的幅度大于Δp增大的幅度，使得式(2)中流量系數μ增大，反之亦然。

圖7 噴霧頭流量系數隨大混合室出口直徑的變化

經計算，在所研究的范圍內，大混合室出口直徑每減小1mm，噴霧頭流量系數平均增大0.019。

3.4 螺旋流道螺旋角對流量系數的影響

圖1所示的結構模型中，內芯和外芯螺旋流道的螺旋角α均為45°，對應的噴霧頭流量系數μ為0.555。為了得到螺旋角對流量系數的影響，分別將螺旋角改為30°和60°，對應的噴霧頭流量系數μ分別為0.529、0.662。由此可知，大雙螺旋噴霧頭的螺旋角越大，噴霧頭的流量系數越大。原因在于，噴霧流量不變時，噴霧頭出口流速不變，當螺旋角增大時，螺旋流道與進口處流體流動方向夾角減小，螺旋流道長度縮短，且噴霧頭內流體的螺旋流動程度減小，這些因素均使得噴霧頭壓降減小，由式(2)可知，流量系數增大，反之亦然。

4 結束語

通過計算流體力學方法(CFD)，研究了大雙螺旋穩壓器噴霧頭內的流動情況，分析了小混合室、大混合室的結構和內外芯螺旋流道螺旋角對反映噴霧頭阻力特性的參數——流量系數的影響。通過分析可知：混合室的結構中，最終影響噴

霧頭流量系數的因素為混合室的出口直徑(即出口截面積)；對于小混合室，出口直徑越大，噴霧頭的流量系數越大；對于大混合室，出口直徑越大，噴霧頭的流量系數越小；對于計算采用的結構，小混合室出口直徑每減小1mm，噴霧頭流量系數平均減小0.005，大混合室出口直徑每減小1mm，噴霧頭流量系數平均增大0.019，大混合室出口直徑對噴霧頭流量系數的影響更明顯；內、外芯螺旋流道的螺旋角也影響噴霧頭的流量系數，螺旋角越大，噴霧頭流量系數越大。筆者的研究結果可以為大雙螺旋穩壓器噴霧頭的設計提供參考：當系統中噴霧泵無法提供噴霧頭噴霧所需的壓頭時，可以通過噴霧頭混合室結構、螺旋流道螺旋角的調整來降低噴霧頭噴霧壓差，使得噴霧泵揚程和系統阻力相匹配。值得注意的是，上述結構的調整是在噴霧頭霧化質量保證的前提下進行。

[1] 朱繼洲，濮繼龍.壓水堆核電廠的運行[M]. 北京：原子能出版社，2000：45～46.

[2] 鄧豐，何勁松，黃燕，等.穩壓器霧化液滴動力和傳熱特性數值分析[J].核動力工程，2013，34(z1)：136～140.

[3] 俞忠原，徐曉梅，魯悅.蒸汽穩壓器控制系統的仿真研究[J].哈爾濱船舶工程學院學報，1992，13(1)：34～46.

[4] 王文靖，蔣仲安，陳舉師，等.不同結構噴嘴內外流場的數值模擬分析[J].煤礦安全，2013，44(11)：162～165.

[5] 刁溫堂.壓水堆穩壓器用噴霧器的試驗研究[J].中國核科技報告，1989，(z3)：57.

[6] 陶文銓.數值傳熱學 [M].西安：西安交通大學出版社，2001：1～5.

2016-01-06，

2016-11-09)

(Continued on Page 113)

NumericalAnalysisofResistanceCharacteristicofLarge-scaleDouble-helixPressurizerSprayer

SUN Yan1, CHEN Cong1, LI Fa-qiang2, WANG Yu1, WANG Yue3

(1.KeyLaboratoryofScienceandTechnologyforNuclearReactorSystemDesign,NuclearPowerInstituteofChina; 2.Centrix-EG(Chengdu)Co.,Ltd.; 3.ChinaChengdaEngineeringCo.,Ltd.)

孫燕(1987-)，工程師，從事核動力裝置的設計工作，715624762@qq.com。

TQ051.3

A

0254-6094(2017)01-0088-06