局部汽化對多級節流孔板阻力影響的數值模擬研究

王永

摘 要：文章使用FLUENT汽穴模型和單相流模型對多級節流孔板在不同入口速度時的壓降進行了數值模擬，獲得了不同入口速度時多級節流孔板的汽化位置和汽化程度以及局部汽化時多級節流孔板的阻力，并將汽穴模型分析結果與單相流模型分析結果進行對比，得到由于汽化引起多級節流孔板阻力增大的程度，為多級節流孔板設計提供了指導。

關鍵詞：多級節流孔板；汽穴模型；數值模擬

前言

多級節流孔板由于結構簡單、性能穩定，廣泛用于核動力裝置的回路系統（如：化容系統、安全殼噴淋系統、蒸發器排污系統等）中來增加回路阻力，限制管道流速。影響多級孔板阻力特性的因素中除了多級孔板的幾何結構（如：級數、各級孔板孔徑比、各級孔間距等）外，還與流體在多級孔板內部的狀態有關。這是由于流體（液相）流經 節流孔板時會導致局部壓力低于流體的飽和蒸汽壓力，流體會在低壓處汽化進而引起汽蝕，使得多級孔板的阻力特性與單相流動的特性偏離，影響核動力裝置的安全運行。

為避免發生汽蝕，多級孔板設計時會考慮各級壓降的比例（一般按照幾何級數遞減的方法，即第2級壓降是第1級壓降的1/2，以此類推），但是這并不能保證多級節流孔板中不發生局部的液體汽化。文獻中已經有學者報道，使用CFD數值模擬的方法設計多級節流孔板，使得多級節流孔板壓降分布更為合理[1]，[2]。但是僅對單相流動進行了分析研究，沒有研究發生局部汽化時多級節流孔板的阻力。文章在使用FLUENT多相流動的混合模型基礎上，選擇Zwart-Gerber-Belamri氣穴模型對多級孔板局部發生局部汽化時阻力分析研究，獲得了局部汽化時多級節流孔板的阻力，并與單相流動模擬結果進行對比，可為多級孔板的設計提供指導。

1 幾何模型與網格劃分

圖1為分析研究的多級節流孔板幾何結構。由左向右兩級布置，第2級孔略大于第1級孔。

圖1 計算幾何結構

為簡化計算，采用1/4模型。截面設置為對稱邊界條件，網格劃分如圖2所示。

圖2 網格劃分

2 數學模型

使用FLUENT混合模型模擬流體在多級節流孔板汽化時汽液兩相流動，混合模型基本控制方程文獻報道的比較多，這里不再贅述。重點介紹由于壓力變化導致汽液兩相的質量傳輸方程。

3 邊界條件與計算工況

3.1 邊界條件

入口給定速度邊界條件，出口為壓力邊界，設為101325Pa（標準大氣壓）；選擇50℃水為計算工質，對應飽和蒸汽壓為12351Pa，即當多級節流孔板內局部壓力小于或等于該壓力時，該處水將發生汽化。

3.2 計算工況

分別對表1中的工況進行了分析計算。

4 計算結果分析

4.1 入口速度為4.0m/s計算結果

從多級節流孔板空泡分布云圖可以得出：入口速度為4.0m/s時，多級節流孔板已經汽化，汽化位置為兩級的孔壁處。汽穴模型和單相流模型速度分布云圖和壓力分布云圖可以得出：由于局部汽化的影響，汽穴模型計算最高速度高于單相流模型計算結果，阻力也大于單相流模型計算結果。多級節流孔板內發生局部汽化后，汽泡的存在會阻礙流體流動，使得流體阻力大于單相流時的阻力。

4.2 不同入口速度時，多級節流孔板汽化程度

從不同入口速度時，多級節流孔板汽泡分布云圖可知：多級節流孔板在入口速度為1.2m/s時未發生汽化；在2.0m/s第1級孔處開始發生汽化；3.2m/s、4.0m/s和4.8m/s時兩級孔處均發生了汽化而且隨著入口速度的增加汽化面積逐漸變大。

4.3 不同入口速度時，多級節流孔板阻力

從多級節流孔板阻力隨入口速度變化曲線可知：入口速度為1.2m/s時，由于多級節流孔板未發生汽化現象，單相流模型和汽穴模型計算結果接近。當入口速度大于2.0m/s后，汽穴模型計算結果均大于單相流模型計算結果，且隨著入口速度的增加，偏離程度逐漸變大，入口速度為4.8m/s時偏差為21%。

從多級節流孔板阻力系數隨雷諾數變化曲線可知：由于計算的五種工況雷諾數最小為5×104，單相流模型計算得到的阻力系數不再隨著雷諾數的變化而變化。由于隨著多級節流孔板入口速度的增加，汽化面積逐漸變大，汽穴模型計算得到阻力系數隨著入口速度的增大而增大。

5 結束語

使用FLUENT汽穴模型和單相流模型對多級節流孔板阻力進行了分析研究，得到主要結論如下：

（1）當入口速度超過2.0m/s時，模擬的多級節流孔板內發生了局部汽化，隨著入口速度的增大，汽化區域面積逐漸增大。

（2）多級節流孔板內發生局部汽化后，汽泡的存在會阻礙流體流動，使得流體阻力大于單相流時的阻力。

（3）隨著入口速度的增加，汽化區域面積逐漸增大，兩種模型計算結果偏離程度逐漸變大，最大偏差為21%。

（4）隨著入口速度的增加，汽化區域面積逐漸變大，汽穴模型計算得到阻力系數隨著雷諾數的增大而增大。

參考文獻

[1]張毅雄，等.多級節流孔板在核級管道中的應用.核動力工程[J].2009，30（4）：71-74.

[2]劉萬龍，等.小孔徑多級孔板組件節流效應仿真[J].北京航空航天大學學報，2011，37（2）：241-244.