核電廠彎管對泵入口流動影響及改進

曹德嘉

（上海核工程研究設計院，上海 200233）

核電廠彎管對泵入口流動影響及改進

曹德嘉

（上海核工程研究設計院，上海 200233）

文章運用Fluent軟件中的RNG k-ε模型對核電廠彎管后的流場進行數值模擬，發現彎管后3倍徑直管段內流速分布不均。為避免流速不均對離心泵的運行產生不利影響，使用兩種導流彎管進行整流。對導流結果進行比較，表明彎管內設置導流板進行整流能較好地改善下游流體速度分布。

導流彎管；速度；數值模擬

彎管在核電廠設計中被廣泛應用于改變流體的運動方向。彎管內流體流動方向的改變將造成壁面附近產生分離區和二次流［1-2］。流體流經彎管時，彎管內側速度大、壓力低，外側速度小、壓力高；進入直管段后彎管內側的壓力逐漸上升，外側的壓力逐漸下降。通過彎管后的流體需要通過很長的一段直管才能恢復穩定的流動狀態［3］。而核電廠中的常用設備離心泵則要求入口流體的速度和壓力分布均勻，以避免出現偏流和漩渦流使泵的運行效率降低。因此，國內外的各種標準和規范都對離心泵入口與上游彎管間的直管段長度給出了具體要求，國內的標準要求直管段長度為3倍管道內徑［4］；而國外標準更為嚴格，為5倍管道內徑［5］。

在實際設計中，受制于廠房面積和設備布置，泵入口管道的布置設計常常無法滿足上述要求。通常可采用導流彎管的措施改善彎管出口處的流體，降低彎管對泵入口的影響。本文基于實際工程案例，使用Fluent軟件對彎管內和彎管下游流體的流動進行數值模擬，驗證上述直管段要求的合理性；通過對兩種常用的導流彎管方案進行數值模擬，為工程設計提供參考依據。

1　幾何模型與網格劃分

1.1幾何模型

某核電廠離心泵入口管道選用不銹鋼40S管道，內徑D=202.74 mm；入口管道水平布置，設有2倍徑彎管；彎管出口與泵入口間距離為1.5D。入口管段為水平布置且管道截面中心對稱，因此管道簡化為2D模型。

1.2控制方程和邊界條件

模型中介質為水，屬于不可壓流體。由于為帶有彎曲壁面的模型，因此選用RNG k-ε模型。管道入口流速根據泵的額定流量和管道內徑確定為2.35 m/s；湍流定義采用湍流強度和水力半徑方法，湍流強度為0.312 3，水力半徑為圓管道內徑202.74 mm；管道出口為壓力出口，壓力設為恒定值0.05 MPa；采用SIMPLE算法耦合求解壓力和速度的耦合。

2　數值模擬計算結果

2.1彎管后直管段內流動模擬

彎管及其后直管段內的壓力分布云圖見圖1，管道內速度分布云圖見圖2。流體在彎管內速度分布極不均勻。彎管內側近管壁處速度最高，速度沿徑向方向遞減，外側管壁處速度最低。流體經彎曲段過渡到出口直管段時，由于彎管段流體的慣性而流向外徑弧面，造成流體層從內徑至外徑的分離從而引起出流速不均勻［6］。

根據國內外標準推薦和實際工程案例，選取彎管出口后1.5D、3D和5D直管段截面，其從彎曲半徑內側向外沿徑向速度分布見圖3。圖3表明，在1.5D和3D直管段截面處流速分布類似，均為彎曲半徑內側管壁速度低，外側管壁速度高，速度沿半徑增大近似線性上升，波動范圍為1.8～2.7 m/s。在5D直管段截面處，除靠近管壁處的取樣點外，其余取樣點速度近似相等，速度在2.3 m/s處波動。

根據上述數據歸納可得：彎管出口后1.5D和3D直管段處由彎管導致的流速不均勻性依然存在；當直管段延長至5D時，流速均勻性較好，彎管的影響可忽略。

圖1　管道內壓力分布Fig.1　Contours of pressure

圖2　管道內速度分布Fig.2　Contours of velocity

圖3　彎管后不同長度直管段截面徑向速度分布Fig.3　Velocity distribution at different straight pipe sections of bend

2.2導流彎管后直管段內流動模擬

在實際工程設計中，對于大口徑管道5D直管段的要求往往無法滿足，通常用導流彎管進行整流。有兩種常用的導流彎管結構：1）彎管內設置不同彎曲半徑的導流板以分割流道；2）在彎管外側管壁和彎管出口處增加折流板，引導彎管外側管壁處流體向管道中心處流動。以下對上述兩種結構建立假想模型進行數值模擬。

方案1：在彎管內等距離設置2塊導流板，將彎管內流道分割為3層。在相同邊界條件下計算。其壓力和速度分布云圖見圖4和圖5，從圖中可以發現由于彎管被導流板分成了3個獨立的流道，單個流道內的速度分布與不設導流板的彎管一致，均為內側速度高，外側速度低，但速度差明顯降低。選取彎管出口下游1.5D和3D直管段截面，其從彎曲半徑內側向外沿徑向速度分布見圖6。其中可以發現盡管導流板的存在造成了局部速度的波動，但波動范圍不大，各點流速基本在2.2～2.5 m/s范圍內變化，總體流速分布平穩。

圖4　管道內壓力分布Fig.4　Contours of pressure

方案2：彎管外側管壁和彎管出口處設置折流板對管道進行導流，引導流體向內側流動，抵消部分彎管產生的影響。其壓力和速度分布云圖見圖7和圖8。從圖中可以發現彎管內側折流板實際減少了流道面積；出口處的折流板減小了出口面積擴大了流速。選取彎管出口后1.5D和3D直管段截面，從彎曲半徑內側向外沿徑向速度分布見圖9。1.5D和3D直管段截面上速度沿徑向距離變化趨勢相同，均緩慢上升后至距內側管壁150 mm處達到最大2.7 m/s后快速下降。造成該現象的原因主要是由于彎管出口處折流板的存在使靠近外管壁處的流場出現了低流速區。由于低流速區隨直管段長度的增加而逐漸減弱，因此，3D直管段的變化趨勢小于1.5D直管段。

圖6　彎管后1.5D和3D直管段截面速度分布Fig.6　Velocity distribution at 1.5D and 3D straight tpipe sections of bend

圖7　管道內壓力分布Fig.7　Contours of pressure

圖8　管道內速度分布Fig.8　Contours of velocity

3　3種工況的比較

圖10和圖11分別顯示了普通彎管、導流彎管方案1和導流彎管方案2出口1.5D直管段和3D直管段截面處速度沿徑向變化的趨勢。在1.5D和3D處普通彎管出口流速近似線性變化，變化范圍較大；導流彎管方案1的流速分布較為平穩，波動范圍小；導流彎管方案2在徑向距離0～150 mm處速度分布平穩，但在150～202 mm處由于出口折流板的存在出現低流速區，使速度快速下降。

圖9　彎管后1.5D和3D直管段截面速度分布Fig.9　Velocity distribution at 1.5D and 3D straight pipe sections of bend

圖10　彎管出口處1.5D直管段截面速度分布Fig.10　Velocity distribution at 1.5D straight pipe section of bend

圖11　彎管出口處3D直管段截面速度分布Fig.11　Velocity distribution at 3D straight pipe section of bend

4　結論

1）普通彎管出口5D直管段后流速分布平穩；1.5D～3D直管段間速度變化較大，有明顯的速度分層。因此為避免速度分層對離心泵運行的影響，彎管與泵入口間的直管段長度應至少為5倍管道內徑。

2）導流彎管能明顯改善下游流場內的流速分布，使流速平穩所需要的直管段長度大大減少。其中導流板方案1的模擬計算結果優于導流板方案2，為優選方案。

［1］ CRANE CO. Flow of Fluids - Through Valve，Fittings and Pipes ［M］. New York： Crane Corporation，1983.

［2］ Yakinthos K. Vlahostergios Z. Goulas A. Modeling the flow in a 90°rectangular duct using one Reynolds-stress and two eddyviscosity models［J］. International Journal of Heat and Fluid Flow. 2008 29： 35-47.

［3］ 德旺，王國慶，呂兵. 低速高湍流90°彎管流動數值模擬［J］.南京航空航天大學學報，2000，32（4）：381-387.（DE Wang， WANG Guoqing， LV Bing. Numerical Simulation of Lowspeed High-turbulence 90° Bent Tube Flow［J］. Journal of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， 2000.）

［4］ 宋岢岢.壓力管道設計及工程實例［M］. 北京：化學工業出版社，2007.（SONG Ke-ke. Pressure Pipe Design and Engineering Practice［M］. Beijing：Chemical Industry Press， 2007.）

［5］ AMERICAN PETROLEUM INSTITUTE.API Recommended practice 686［M］. Washington D.C.：API Publishing Services，1996.

［6］ 藍立偉. 導流彎管數值模擬分析［J］. 廣州化工，2014，42（1）：105-106.（LAN Li-wei. Numerical Simulation and Analysis of Diversion Bent Tube. Guangzhou Chemical Industry， 2014， 42（1）：105-106.）

Study on the Bend Effect on Pump Suction Piping and Improvement

CAO De-jia
（Shanghai Nuclear Engineering and Research Design Institute，Shanghai 200233，China）

RNG k-εmodule of fluent is used in numerical simulation of flow in piping downstream of bend. Results show that irregular flow exists in 3 inner diameters long straight piping. Two types of flow conditioner are designed to prevent disadvantage on centrifugal pump caused by irregular flow. Numerical simulation also shows that baffles in bend can improve the distribution of downstream velocity.

flow conditioner； velocity； numerical simulation

TL35 Article character：AArticle ID：1674-1617（2015）04-0300-06

TL35

A

1674-1617（2015）04-0300-06

2015-08-07

曹德嘉（1984—），男，江蘇人，工程師，本科，從事核電廠輔助系統設計工作。