流動調整器在設冷水流量測量改進中的應用

曹德嘉

摘要： 本文通過CFD軟件對設冷水管道現有布置和分別安裝Etoile型、管束型和K-Lab型流量調整器后母管孔板流量計截面處的流場進行了分析。模擬計算結果顯示目前的管道布置無法使測量孔板截面處的流場完全符合漩渦角的要求。3種流動調整器對流場均能起一定的改善作用。鑒于K-Lab型的結構比管束型更為緊湊，因此其更適用于現有管道布置的改進。

Abstract： The component cooling water flow without or with Etoile， Bundle and K-Lab flow conditioner respectively in section plane where the flow measurement orifice plate is installed are analyzed by CFD in this paper. The results show that the discrepancy between current pipe layout and requirements of standard in swirl angle. The three types flow conditioners can all be used to ameliorate flow condition. Considering that the K-Lab type has a more compact structure， it's more suitable for current pipe layout than Bundle pipe type.

關鍵詞： 流動調整器；漩渦角；流速分布

Key words： flow conditioner；swirl angle；velocity profile

中圖分類號：U284.12+2 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）34-0174-02

0 引言

孔板流量計因結構簡單和測量準確的優點廣泛地應用于核電站各類系統中的流量測量。然而該類流量計的使用條件較為嚴格，一般要求所測流場為充分發展流動。漩渦、橫向流動和非對稱流動均會增加測量誤差。通過增加孔板前后直管段的長度可以改善流場。但在工程應用中由于空間的限制，大口徑管道通常很難達到充分發展流動的直管段長度要求。因此相關規范提出在實際應用中根據以下兩個標準判斷流場是否滿足孔板測量的要求：①流場內各點漩渦角小于2°；②管道截面各點速度與截面最大速度的比值與充分發展流動相比，誤差在5%以內[1]。為了滿足上述條件同時減少直管段長度，工程上使用流動調整器以改善流場，在減少漩渦角的同時使其速度分布盡可能接近充分發展流動。常用的流動調整器根據結構形式的不同分為Etoile型、管束型和K-Lab型。本文以設冷水母管流量測量為例通過分析現有布置和分別增設上述3類流動調整器后流量測量孔板處的流場，對流動調整器在設冷水母管流量測量改進中的應用進行探討。

1 幾何模型與邊界條件

1.1 幾何模型

如圖1所示，設冷水母管為標準24”管道，內徑D約為590mm；設冷水正常工況下流量為2434.55m3/h。現有布置中測量孔板上游設有1個彎曲半徑為1D的豎直彎頭，彎頭出口至孔板距離約為10D；孔板下游設有1個彎曲半徑為1D的水平彎頭，彎頭入口至孔板距離約為5D。

假定3種流動調整器均安裝于上游彎管出口處并采用標準結構尺寸。其中Etoile型調整器長度為2D（1180mm）；管束型調整器長度為2D（1180mm）；K-Lab調整器厚度為88mm[1]。流動調整器出口與下游流量孔板間的距離均大于4D以避免調整器本身對測量流場的擾動[2]。

1.2 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管道，因此選用RNG k-ε模型[3]。管道入口流速根據流量和管道內徑為2.47m/s；湍流定義采用湍流強度和水力半徑方法，湍流強度為2.7%，水力半徑為圓管道內徑590mm；管道出口類型為Outflow；采用SIMPLEC算法耦合求解壓力和速度的耦合；壓力耦合采用Standard，動量、湍流動能和湍流擴散采用二階迎風格式。

2 計算結果與分析

漩渦角是管道的橫截面上某點的流速與管道軸線的夾角[4]。根據模擬計算結果4種工況下流量測量孔板處截面中各點的漩渦角分布如圖2、3、4和5所示。

由圖2可知，由于流體本身具有慣性導致彎頭下游流體的流動方向并非立刻改變。流體在原有的速度方向上依然保持了一定的速度分量并隨距離衰減，因此導致存在一定的偏離管道軸線的漩渦角。在現有布置工況下流量測量孔板截面處除緊鄰管壁的邊界層外漩渦角呈現1～10°范圍內的均勻分布，小部分區域達到12～13°，遠大于規范中小于2°的要求，可能造成一定的測量誤差。

如圖3、4和5所示，在彎管后安裝流動調整器顯著減小了漩渦角。Etolie型調整器使截面處的漩渦角降低至3.5°左右。管束型和K-Lab型則效果更為明顯，除緊鄰管壁處的邊界層外截面各點的漩渦角均小于2°且分布均勻。主要原因可能是調整器對管道內的流道進行了切割，其產生的通徑較小的流道在提高管道軸向速度的同時抑制了其他方向的流動從而使漩渦角明顯降低。由此可見流動調整器能顯著降低流量測量孔板截面處的漩渦角，其中管束型和K-Lab型效果更佳，能完全滿足規范中的要求。

3 結論

根據上述的計算和分析可以得到如下結論：

①現有管道布置下設冷水母管流量測量孔板處漩渦角與規范要求存在偏差，可能造成一定的測量誤差。②Etoile型調整器能明顯降低漩渦角，但加劇了與完全發展流動流速分布的偏離，僅能起流場整直的作用。③管束型和K-Lab型調整器均能降低漩渦角。鑒于K-Lab型結構尺寸遠小于管束型，K-Lab型調整器應為現有設冷水母管流量測量改進的首選。

參考文獻：

[1]GB/T 2624.1：2006，用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測量滿管流體流量 第1部分：一般原理和要求[S].

[2]Wei Xiong， Kathrin Kalkuhler， Wolfgang Merzkirch. Velocity and turbulence measurements downstream of flow conditioners [J]. Flow Measurement and Instrumentation， 2003，14：249-206.

[3]于勇.Fluent入門與進階教程[M].北京：北京理工大學出版社，2008.

[4]JJF 1004：1986，流量計量名詞術語及定義[S].endprint