利用 CFX 數(shù)值模擬方法分析 2 種可變量程彎管流量計的設計思路。結(jié)果表明：①傳統(tǒng)彎管流量計單純改變測壓孔位置不能明顯增加低流量時測量壓差；②節(jié)流件可以增加測量壓差；③機翼型節(jié)流件可以將該彎管流量計的測量下限擴展近 25%。

0.引言

彎管流量計具有無附加阻力損失、結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、耐磨損、免維護、測量精度高、重復性好等特點,被廣泛應用在化工、核電等領域。非能動安全是反應堆固有安全性的重要組成部分。反應堆非能動余熱排出系統(tǒng)作為現(xiàn)階段應用廣泛的非能動安全系統(tǒng),其對系統(tǒng)低阻力特性要求較高。為實時監(jiān)測該系統(tǒng)內(nèi)流量,綜合考慮系統(tǒng)低阻力特性要求、設備可靠性與經(jīng)濟性等因素,實惠流量測量設備為彎管流量計。

由于反應堆余熱排出系統(tǒng)在能動運行與非能動運行狀態(tài)下流量差別非常大。傳統(tǒng)彎管流量計量程比低,不能完全覆蓋非能動余熱排出系統(tǒng)流量范圍。同時常用彎管流量計存在高流量區(qū)間與低流量區(qū)間測量時兩者精度不能同時保證的問題。本課題利用CFX數(shù)值模擬,分析2種可變量程彎管流量計設計優(yōu)化方案,為非能動系統(tǒng)設計與試驗提供一種新型流量計。

1.研究對象

1.1彎管流量計

流體在通過彎管時,會因為流向的改變引起彎管內(nèi)側(cè)壓力低、外側(cè)壓力高的現(xiàn)象。經(jīng)過試驗證明彎管內(nèi)外側(cè)的***大壓差大于彎管進出口壓差。同時彎管壁面的不同位置的壓差與流體流速成正比,通過測量流體離心力造成彎管內(nèi)外側(cè)壁面壓差,根據(jù)渦流理論可以推算出彎管內(nèi)平均流速。

1.2可變量程彎管流量計

可變量程彎管流量計是在傳統(tǒng)彎管流量計的基礎上，通過改進測量方式和流道特征，使得彎管流量計量程比可變，降低彎管流量計測量流量下限，使得彎管流量計可應用于低流速工況的測量。

1.2.1 測量方式的改進 

改變傳統(tǒng)單一取壓位置，在不同流速的流動特性下采用不同取壓位置的測量方案。在高流速時，影響測量結(jié)果的主要原因是二次流的影響，因此選擇取壓位置時需首先保證二次流影響的較低化；而在低流速時，影響測量結(jié)果的主要原因是測量壓差小，因此取壓位置的選擇應首先保證壓差***大化。根據(jù)渦流理論，位于彎管 45°、22.5°、67.5°內(nèi)外側(cè)管壁可以***大可能地避免二次流的影響，保證取壓準確性，而且理論上 45°內(nèi)側(cè)壁面是以上各位置壓力較低點。所以可變量程彎管流量計待選測壓位置為 45° 內(nèi)外側(cè)、22.5°外側(cè)、67.5°外側(cè)。在大流量時，彎管處二次流旺盛，取壓點橫截面積不能過大，若過大會導致二次流直接影響***后測量結(jié)果?？紤]到彎管流量計實際使用于高溫高壓環(huán)境，所以取壓方式采用 Φ6 mm×1.5 mm 不銹鋼管，引壓管流道直徑為 Φ3 mm。

1.2.2 結(jié)構(gòu)方面的改進 

在對彎管局部形阻系數(shù)改變有限的前提條件下，為進一步降低彎管測量下限，而對彎管內(nèi)部結(jié)構(gòu)增加合適尺寸結(jié)構(gòu)的節(jié)流件的改進方式。

仿真模擬對象為水平布置，內(nèi)徑為 50 mm，彎徑比為 1.25 的 90°彎頭。采用 CFX 程序?qū)Ω魅狐c兩兩組合的測量點進行穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬：①不同流量下測壓方案及相應壓差范圍；②模擬帶有不同節(jié)流件彎管流量計的測壓性能，并選擇***優(yōu)節(jié)流件外形及位置方案。

2.不同流量下測壓方案

不同流量下測壓方案研究的目的是根據(jù)不同流速下差壓的大小，以確定與之匹配的取壓孔布置方案。本研究以傳統(tǒng)彎管流量計為研究對象。流速范圍為：0.3 ~7.0 m/s。由于流質(zhì)溫度及系統(tǒng)壓力對測量結(jié)果沒有特別大的影響，所以設定系統(tǒng)壓力為 2.0 MPa，溫度為 20℃。

根據(jù)渦流理論，采用取壓點組合方式有：①22.5°外側(cè)與 45°內(nèi)側(cè)；②67.5°外側(cè)與 45°內(nèi)側(cè)；③45°內(nèi)外側(cè)。

模擬中湍流模型采用標準 k-ε 模型，模擬結(jié)果以 45°內(nèi)外側(cè)壓差為標準，進行偏差分析（圖1）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：幾種組合測壓結(jié)果相近，組合①的壓差一直小于組合②的壓差；當流速小于 1.5 m/s 時，組合②的壓差大于組合③；當流速進一步增大時，組合③的壓差是***大的。

在高流速的情況下，建議采用組合③的測壓，而當流速低于 1.5 m/s 時，采用組合②的方式。

圖2顯示了組合②的壓差模擬結(jié)果。流速為3m/s 時，壓差僅為 65 Pa，而國內(nèi)現(xiàn)階段能標定的壓差表較低為 100 Pa，當測量值小于 100 Pa時，測量值是無效的。所以僅通過改變測壓位置不能大幅降低測量下限。

3.不同節(jié)流件性能研究

擴大彎管流量計低流量測量壓差的另一個方法是通過加入節(jié)流件，進而改變彎管內(nèi)流場，使得壁面測得壓差增大。但這樣會增加彎管的局部阻力，所以選用何種節(jié)流件及相應的布置位置對于彎管流量計的優(yōu)化研究非常重要。考慮到后期試驗件制造難度，研究的節(jié)流件采用貫穿件。待選節(jié)流件橫截面形狀為：圓形、方形、月牙形和機翼型。

3.1 求解模型校驗

在進行節(jié)流件選擇之前，需要對求解模型的正確性進行方法校驗。本節(jié)以文獻[1]試驗模擬的沿流道圓柱形節(jié)流件的 90°彎管為模型，校驗求解模型的正確性。取壓孔位置為 45°內(nèi)外側(cè)。利用 ICEM 軟件進行網(wǎng)格劃分后，進行網(wǎng)格敏感性分析，***后在文獻采用的標定點中選擇 3 個流量點進行比較，系統(tǒng)為常溫常壓。

從模擬結(jié)果與實驗結(jié)果的對比（表 1）可以發(fā)現(xiàn)：①模擬結(jié)果與試驗結(jié)果符合度較高；②選用標準 k-ε 模型可以較好的模擬內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對復雜的流道內(nèi)的流場。

3.2 節(jié)流件類型選擇

模擬對象同上節(jié)，在管中分別加入圓形、方形、月牙形、機翼型 4 種不同節(jié)流件。若迎流面積不同，會造成 4 種節(jié)流件模擬結(jié)果沒有可對比性，所以 4 種形狀以迎流面積相同為前提條件，初始布置位置為管道中心。迎流面積假定為 105 mm2。模擬邊界條件不變。

本研究主要關心節(jié)流件的增加造成管內(nèi)***大壓差的增加值，所以表 2 中僅顯示***大壓差值，并不表示取壓點都相同。

從表 2 中明顯看出，使用機翼型節(jié)流件的彎管的整體局部阻力系數(shù)增加了 0.16，但流道壁面的***大壓差增加了 41%，接近 100 Pa。在理論上使得彎管流量計測量下限降低到現(xiàn)階段國內(nèi)能標定差壓表的***小值。在相同壓差下，傳統(tǒng)型彎管流量計即使優(yōu)化測壓點組合，在***大壓差為 94 Pa 左右時，對應介質(zhì)流速為 0.39 m/s。機翼型彎管流量計使得彎管流量計測量下限擴大近 25%。

3.3 ***佳節(jié)流件性能分析

經(jīng)一系列調(diào)整***佳節(jié)流件的布置位置，得到***佳節(jié)流件布置方案，并將模擬結(jié)果與傳統(tǒng)彎管流量計（下稱傳統(tǒng)型）模擬結(jié)果進行對比。

由圖 3 可以發(fā)現(xiàn)：機翼型節(jié)流件在增加測量壓差的同時，引入的局部形阻并不大，且局部阻力系數(shù)隨著流速的升高而降低。

式（1）表示機翼型彎管流量計的流量系數(shù)的擬合關系式：

κ=0.0057ln(Re)+2.5612 （1）

式中，κ 為流量系數(shù)；Re 為雷諾數(shù)。

流量系數(shù)與 Re 相關的系數(shù)為 0.0057，遠遠小于常數(shù) 2.5612，可以確定機翼型彎管流量計流量系數(shù)基本上達到自模，且平穩(wěn)性較好。

機翼型節(jié)流件在增大管內(nèi)壁壓差的同時，引入的局部阻力較低，小于低流量文丘里流量計的局部阻力，擴展了彎管流量計的測量下限，是研發(fā)階段可變量程彎管流量計可選管型的***佳方案。

4.結(jié) 論

本研究根據(jù)非能動余熱排出系統(tǒng)低流量的特點，提出彎管流量計進一步降低測量下限的一種優(yōu)化方案。在研究過程中，得出的結(jié)論主要有：

（1）單純改變測壓點位置，對大幅降低彎管流量計測量下限幫助不明顯；不同測量方案的測量壓差的變化率在±1.5%以內(nèi)?？梢妼τ谛】趶降膹澒芰髁坑?，單純改變測壓點對大幅降低測量下限沒有實際意義。

（2）不同測量點的組合使得測量結(jié)果***優(yōu)化；對于文中的傳統(tǒng)型彎管流量計而言：當流速低于1.5 m/s 時，應當選用 67.5°外側(cè)和 45°內(nèi)側(cè)的壓差測量方案；當流速高于 1.5 m/s 時，應當選用 45°內(nèi)外側(cè)的壓差測量方案。

（3）帶有機翼型節(jié)流件的彎管流量計流量系數(shù)滿足彎管流量計的優(yōu)化設計要求，機翼型節(jié)流件的流量系數(shù)基本達到自模，且平穩(wěn)性較好。

（4）橫截面為機翼型的節(jié)流件可以在改變彎管局部形阻系數(shù)較小的情況下，較大幅度的增加測壓值，進而擴展了彎管流量計的測量下限；在相同情況下，機翼型節(jié)流件使得***大測量壓差從66 Pa 提升到 95 Pa，這使得理論上可靠測量流速下限向下擴大了 25%。這為非能動自然循環(huán)的建立過程的研究提供了新的測量方案。