大壓降短距離管道節(jié)流孔板數(shù)值模擬研究

余靈敏,李洪林 (河南油田機動處,河南南陽4731 32)

曾小康,周 源 (中國核動力研究設計院,四川成都61 0041)

大壓降短距離管道節(jié)流孔板裝置廣泛應用于各種工業(yè)管道系統(tǒng)中,以達到降低汽水壓力和減小汽水流量的目的。對于較大壓降系統(tǒng),節(jié)流孔板設置不合理將導致管道振動程度加劇并伴隨有強烈噪音,對管道的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)的完整性造成嚴重損害[1]。為此,筆者分析了安裝節(jié)流孔板的管道振動形成的機理,通過對大壓降短距離管道節(jié)流孔板進行數(shù)值模擬研究,確定了節(jié)流孔板的改進形式。

1 節(jié)流孔板引發(fā)管道振動原因分析

流體經(jīng)孔板時流速及壓力變化示意圖如圖1所示。從圖1可以看出,在節(jié)流過程中存在紊流能量消耗和節(jié)流后壓力隨之降低的現(xiàn)象。當截流斷面處的壓力小于介質(zhì)溫度對應的飽和壓力時,流束中會有蒸汽及溶解在水中的氣體逸出。當節(jié)流孔板下游壓力高于介質(zhì)溫度對應的飽和壓力時,汽泡迅速凝結(jié)后破裂并產(chǎn)生局部空穴,此時高速流體占有局部空穴形成巨大沖擊力,在沖擊力作用下大汽泡分成小汽泡,再被高速流體壓縮凝結(jié)后破裂,如此多次反復,從而形成空化現(xiàn)象。該現(xiàn)象引起管道高頻振動,在短時間內(nèi)造起沖刷面嚴重損壞。此外,若節(jié)流孔板設計不合理,將導致孔板下游產(chǎn)生較大渦流,該渦流使孔板下游流動截面上的流速分布很不均勻,從而對管道內(nèi)表面產(chǎn)生較大沖擊并引起管道低頻振動。因此,盡量抑制空化現(xiàn)象以及孔板后渦流現(xiàn)象的發(fā)生是選擇節(jié)流孔板主要考慮因素[2]。

圖1 流體流經(jīng)孔板時流速及壓力變化示意圖

2 節(jié)流孔板的數(shù)值模擬及優(yōu)化

以某大壓降短距離管道為例,通過數(shù)值模擬對節(jié)流孔板進行優(yōu)化設計,主要參數(shù)如下:①管道流量為457m3/h;水介質(zhì)溫度為60℃;節(jié)流孔板進口壓力為2.0MPa;節(jié)流孔板出口壓力為0.21MPa;管道規(guī)格為?219×12mm;管道長度為460mm。

2.1 單級圓孔節(jié)流孔板

單級節(jié)流孔板前后流線分布圖如圖2所示。由圖2可知,孔板后管道中心線的流速很高,產(chǎn)生了一個長度約0.6m的渦流,從而引起管道低頻振動。單級節(jié)流孔板前后壓力分布圖如圖3所示。由圖3可知,孔板下游存在一個約300mm的負壓區(qū),該區(qū)域的壓力低于水介質(zhì)溫度 (60℃)對應的飽和壓力(Pv=5.62×10-3MPa)[3],當孔板下游壓力高于水介質(zhì)溫度對應飽和壓力時,導致空化現(xiàn)象產(chǎn)生,從而誘發(fā)管道產(chǎn)生高頻振動。因此,設計時不宜采用單級圓孔節(jié)流孔板形式。

圖2 單級圓孔節(jié)流孔板前后流線分布圖

圖3 單級圓孔節(jié)流孔板前后壓力分布圖

2.2 2級同心圓節(jié)流孔板

2級同心圓節(jié)流孔板前后流線分布圖如圖4所示。由圖4可知,由于節(jié)流件級間距離太小且采用同心圓結(jié)構(gòu),流經(jīng)第1級孔板的高速水流直接穿過第2級孔板,產(chǎn)生一個長度約0.5m的渦流,從而引起管道低頻振動。2級同心圓節(jié)流孔板前后壓力分布圖如圖5所示。由圖5可知,第2級下游存在一個約350mm的負壓區(qū),導致更嚴重的空化現(xiàn)象產(chǎn)生,從而使管道產(chǎn)生劇烈高頻振動。因此,設計時不宜采用2級同心圓節(jié)流孔板形式。

圖4 2級同心圓節(jié)流孔板前后流線分布圖

圖5 2級同心圓節(jié)流孔板前后壓力分布圖

2.3 二級偏心多孔節(jié)流孔板

2級偏心多孔節(jié)流孔板前后壓力分布圖如圖6所示。由圖6可知,由于采用偏心多孔結(jié)構(gòu),導致水流速度較為穩(wěn)定,在第2級孔板后僅產(chǎn)生一個長度約0.35m的渦流,因而管道低頻振動很小。二級偏心多孔節(jié)流孔板前后壓力分布圖如圖7所示。由圖7可知,在第2級下游僅存在一個長度不到50mm的負壓區(qū),因而出現(xiàn)空化現(xiàn)象的機率較小,管道不會產(chǎn)生高頻振動。因此,設計時可采用2級偏心多孔節(jié)流孔板形式 (見圖8和圖9)。

3 結(jié) 論

1)采用單級節(jié)流孔板或二級同心圓節(jié)流孔板的形式時,都將產(chǎn)生大尺寸渦流和空化現(xiàn)象,從而導致管道產(chǎn)生劇烈振動。

圖6 二級偏心多孔節(jié)流孔板前后壓力分布圖

圖7 二級偏心多孔節(jié)流孔板前后壓力分布圖

圖8 優(yōu)化后節(jié)流孔板的刨面圖

圖9 第二級節(jié)流孔板左視圖

2)采用二級偏心多孔節(jié)流孔板形式時,產(chǎn)生的渦流較小,同時出現(xiàn)空化現(xiàn)象的機率較小,因而不會導致管道產(chǎn)生劇烈振動,可以很好地發(fā)揮節(jié)流降壓的作用。

[1]張都清,張廣成,曹立春.電廠中汽水管道振動的原因及對策[J].山東電力技術(shù),2006(1):56-57.

[2]張寶峰.多級節(jié)流孔板的設計計算 [J].西北電力技術(shù),2005(5):27-28.

[3]張寶,胡能祥,徐瑾熙.汽水管道中節(jié)流孔板的合理應用 [J].電站系統(tǒng)工程,2005,21(6):20-22.