核電鼓網清淤設備瀝水籃設計及內部流場分析

呂永生 呂磊 何鋼 李強 張敏 陸素君

關鍵詞：鼓形濾網;清淤設備;瀝水籃;孔徑;內流場分析

0引言

鼓形濾網是核電循環水系統的重要設備之一，能夠有效過濾冷卻水源中的海生物垃圾;但由于部分垃圾不能及時清除而長期淤積在鼓網底部，最終影響鼓網的正常運行，給核電站帶來安全隱患。因此，鼓網底部清淤設備是保障核電站安全運行的重要條件。

目前，根據鼓網底部淤積物的特點，抽吸的方式較為適合;根據抽吸裝置的布置位置，抽吸方案又分為水上抽吸和水下抽吸，其中前者對泵電機的功率和泵的揚程要求高，設備體積大、成本高;后者將整個抽吸主體置于水中，淤積物通過泵和管道進入瀝水籃中進行沉降，對泵電機功率要求低，具有體積小、成本低的顯著優勢，但由于水中流場復雜，瀝水籃的設計顯著影響著淤積物的沉降和清淤的效率，是決定清淤設備研發成敗的關鍵難題。

隨著計算流體力學的發展，采用數值仿真方法可快速高效獲取流場特性，但由于瀝水籃的多孔結構，導致網格劃分與流場分析效率較低;為提高多孔結構的計算效率，國內外學者已展開相關研究。陶洪飛等利用Fluent軟件對直沖洗網式過濾器進行了流場的數值模擬，將濾網形狀做成漸縮式，提高了過濾效率;權潔等通過多孔介質模型模擬纖維過濾器在不同工況下，濾層結構和濾速對其過濾效果的影響;屈帥丞等利用多孔介質模型對翅片管束進行外流場分析，并將實體模型的分析結果與之比較，兩者誤差在10%以內。

針對核電鼓網底部清淤設備中水下瀝水籃的設計難題，本文結合淤積物的沉降和抽吸實驗，基于多孔介質模型，采用實驗與數值仿真相結合的方法對瀝水籃內部流場進行深入分析，以實現淤積物的沉降和高效清淤，為瀝水籃的設計與優化提供參考。

1仿真模型的建立

1.1瀝水籃的結構設計

清淤的整體方案如圖1所示，清淤設備置于豎直通道中的水下，其主體由瀝水籃、抽吸泵和電機組成，與抽吸泵相連的抽吸管用于抽取淤積物;當抽吸完成后，豎直通道上方的升降裝置會將清淤主體裝置和抽吸管提升至地面，為保證清淤主體上下運行的平穩性和可靠性，在主體裝置靠近井壁的兩側都設有減震導向裝置。

清淤設備中的瀝水籃采用框架式焊接結構，四周采用角鐵作為立柱，頂部采用螺栓固定到抽吸框上，底部裝有擋板卸料閥，側面留有與抽吸泵管路連接的接口。

1.2淤積物沉降計算

瀝水籃側面的濾網結構對淤積物的沉降具有重要影響，網孔過大或過小都會影響瀝水籃的流場性能和清淤效果。為確定瀝水籃的相關設計參數，需要先分析抽吸上來的淤積物在瀝水籃中的沉降速度。鼓形濾網底部的淤積物主要以青口為主，屬于不規則形狀雜物，其沉降速度可以采用以下公式計算：

圖2所示為實心顆粒粒徑與沉降速度的曲線，從圖中可看出，隨著粒徑的增大，沉降速度也隨之增大，當粒徑接近100mm時，顆粒沉降速度達到了2m/s。青口的密度和形狀與石塊具有較大差異，但其沉降的基本規律與圖2相同，即流速達到一定值時，便能在瀝水籃中實現沉降。

為分析泵的出口水流速度變化趨勢，給出了清水射流速度分析結果，如圖3所示，其中圖3（a）為水射流示意圖，圖3（b）為在泵出口管道離射流口不同距離上的水流速度變化曲線，其中軸線方向上速度最大，管道截面上距離軸線距離越遠的位置速度較低，如距離射流口1m距離處的管道截面平均速度可降到0.18m/s。考慮到實際抽吸過程中垃圾物的存在，同時可通過優化連接抽吸泵與瀝水籃側面的管道走向，從而進一步降低流速，使得實際流速衰減得更快，基本可滿足垃圾中青口的沉降速度要求。

1.3瀝水籃有限元模型的建立

1.3.1分析模型的建立與網格劃分

瀝水籃主要由瀝水籃框體、瀝水斗、方圓管和擋板卸料閥組成，根據清淤設備的整體結構布局，瀝水籃可以設計成方形與圓形兩種形式。采用四面體網格對瀝水籃進行網格劃分，劃分完成的瀝水籃有限元模型如圖4～5所示，網格的平均質量達到了0.7。

在實際工作中瀝水籃要置于截面長2m、寬1m。深度約為15m的水下，將外部流場全部建立出來難度較大，因此采用簡化處理，只截取瀝水籃這一部分的外部流場進行分析。鑒于多孔介質模型在網孔結構中具有良好的適用性，本文同樣采用多孔介質模型模擬濾網，只需建立濾網的外形。

1.3.2邊界條件的設置

進口邊界條件：根據泵的流量計算，在實際運行過程中泵的揚程設置為8 m，根據電機性能參數，此時泵流量為400 m3/h，出口流速為v=3.17 m/s，采用速度入口邊界條件。

出口邊界條件：由于出口的流速與壓力未知，所以出口邊界條件設為Outflow。

壁面設為無滑移邊界，多孔介質內外表面、內部流場的外接觸表面及外部流場的內接觸表面都為Interface，將外部流場與內部流場連接起來進行數據的傳遞。

1.4計算模型及參數的確定

清淤設備中的流場運動情況通過求解N-S方程獲得，其內部水流的流動屬于湍流且不可壓縮，對于溫度的變化并不敏感，故不考慮能量的傳遞過程，對于網式過濾器的數值模擬選擇RNG K-s湍流模型的計算精度最高。瀝水籃結構與網式過濾器的結構相似，因此采用RNGK-s湍流模型進行數值計算，濾網通過多孔介質模型進行簡化，其主要是在動量方程中增加了一個能代表多孔介質對流體的阻力項，即動量源項S，表達式如下所示：

實際工況中，一部分貝殼在經過抽吸泵時會被抽吸泵葉片打碎，導致淤積物的尺寸不穩定。為了確定瀝水籃網板的孔徑，做了3組青口貝殼的預運行實驗，實驗結果如圖6所示。

從貝殼破碎的情況來看，有相當一部分沒有發生破碎，且尺寸越小的占比越小，故擬采用孔徑為1mm、2mm、3mm的網板進行數值模擬，根據以上公式計算瀝水籃數值模擬關鍵參數如表1所示。

2仿真結果與分析

2.1不同結構形式的瀝水籃內流場分析

在設備運行過程中，瀝水籃的結構形式會影響內部流場的穩定性，因此需要對兩種不同結構形式的瀝水籃進行數值分析，探究其內部流場的變化情況。

圖7所示為兩種濾水籃水流速度云圖，從圖中可看出兩種濾水籃內部流場水流速度變化規律基本相同，水流進入瀝水籃管道后，沿豎直管道進入第二個彎頭時，靠管道右側壁的水流流速增加，在瀝水籃右上方形成了一個漩渦區。

圖8所示為不同結構形式瀝水籃的對稱平面壓力云圖，水流從人口進入管路過程中會發生局部水頭損失和沿程水頭損失，彎頭處外側壓力大于內側壓力。在方圓管接口處，管道的截面發生突變，水流離開圓形管口后逐漸擴大，在拐角處形成兩個低壓力區。如圖9所示，圓形瀝水籃形成的低壓區較小，這是因為圓形瀝水籃與圓管接口的拐角處是一個圓弧面，有利于水流向四周擴散，形成的漩渦較小，低壓區也較小。

圖10所示為兩種瀝水籃在對稱面上的湍動能分布圖。從圖10（a）可看出，方形瀝水籃內的湍動能主要分布在進口管路彎頭處以及方圓管與瀝水籃接口的拐角處;從圖10（b）可看出，圓形瀝水籃內的湍動能主要分布在圓管與瀝水籃接口的拐角處，并且范圍比方形瀝水籃大，這是因為圓形瀝水籃的圓弧面能更充分地與該區域水流接觸，從而產生較大的能量消耗和較大的水頭損失。

通過對相同工況下的方形瀝水籃和圓形瀝水籃內流場分析可知，圓形瀝水籃內部壓強分布均勻，但其均值大于方形瀝水籃;方形瀝水籃低速區域比圓形瀝水籃大，泄壓性能更好，抽取的淤積物更容易沉降，綜合考慮采用方形結構瀝水籃設計方案。

2.2濾網孔徑對瀝水籃內部流場的影響

為了探究瀝水籃網板孔徑對其內部流場的影響，分別對網孔直徑為1mm、2mm、3mm的瀝水籃內部流場進行數值分析，圖11所示為3種不同孔徑的瀝水籃過濾清水時的水流速度分布云圖。通過對比分析可知：在不同直徑網孔過濾作用下，瀝水籃內部速度場的分布規律基本相似。由于水下環境壓差的作用，射人瀝水籃中的水流從瀝水籃上方網板流出;若瀝水籃的網板孔徑越小，從上方流出的水流遇到的阻力就越大，水流進入瀝水籃中的方向就會發生改變。當網孔直徑為1mm時，水流基本上沿著水平方向射入瀝水籃中;當網孔直徑為2mm時，進入瀝水籃中的水流從上方網板的左側流出;當網孔直徑為3mm時，進入瀝水籃中的水流從上方網板的中間流出。

圖12所示為3種不同孔徑瀝水籃過濾清水時的壓力分布情況，由圖中可以看到網孔直徑為1mm與2mm的瀝水籃內部壓強場的分布規律相似，壓強值相差較小。網孔直徑為3mm的瀝水籃內部最大壓強高于網孔直徑為1mm與2mm的瀝水籃。網板的孔徑越大，其外部水流壓強場的分布越均勻;網孔越小，管路中的水進入瀝水籃后難以流出，外部流場中的水難以進入，內外壓差越大。

圖13所示為3種工況下瀝水籃對稱面上的湍動能分布云圖，通過對比分析可知：網板的孔徑越大，其內部流體的湍動能越穩定。

通過對3種不同孔徑的瀝水籃內流場分析比較可以看出，網孔的孔徑越大其內流場壓力分布越均勻，這與實際情況相符，說明分析結果正確。當網孔直徑為1mm時，水流進入內部后壓強明顯上升，且高壓區主要分布在瀝水籃的頂部和底部，其內部產生了堵塞現象，因此網孔直徑為1mm的網板不適用。網孔越大內外壓差越小，更適合清淤設備的運行，但是網孔直徑過大又會影響清淤設備的清淤效率，網孔直徑為2mm和3mm的瀝水籃內流場的流速的變化情況基本一致，壓強也相差不大，綜合考慮采用網孔直徑為2mm的網板。

3結束語

本文通過多孔介質模型對瀝水籃進行簡化，采用實驗與數值仿真相結合的方法對不同形式和不同孔徑的瀝水籃內部流場進行深入分析，得出如下結論。

（1）青口要在瀝水籃中高效沉降，主要取決于青口的沉降速度和青口抽吸時的水流速度，而射入瀝水籃的水流速度越小，越有助于青口的沉降。

（2）根據青口抽吸實驗，得到了抽吸完成后青口的破碎情況，以破碎青口的最小尺寸為參考，推算出瀝水籃的孔徑設計范圍，同時根據經驗公式計算出不同孔徑下瀝水籃數值模擬的關鍵參數。

（3）方形瀝水籃內部水流速度低于圓形瀝水籃，使得抽吸的淤積物更易于沉降，且泄壓性能也比圓形瀝水籃好。

（4）網板孔徑越小，越容易在瀝水籃的內部產生堵塞，孔徑越大，網板兩側壓差越小，清淤效果也越差，綜合考慮，最終選取瀝水籃網板孔徑為2mm。

本研究后續將進一步對瀝水籃進行改進，使其適用性更強，可以更好地收集抽吸上來的各種淤積物。