彎管流量計具有無附加阻力損失、結構簡單、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作為現階段應用廣泛的非能動安全系統,其對系統低阻力特性要求較高。為實時監(jiān)測該系統內流量,綜合考慮系統低阻力特性要求、設備可靠性與經濟性等因素,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在能動運行與非能動運行狀態(tài)下流量差別非常大。傳統彎管流量計量程比低,不能完全覆蓋非能動余熱排出系統流量范圍。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,為非能動系統設計與試驗提供一種新型流量計。

流體在通過彎管時,會因為流向的改變引起彎管內側壓力低、外側壓力高的現象。經過試驗證明彎管內外側的***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外側壁面壓差,根據渦流理論可以推算出彎管內平均流速。

可變量程彎管流量計是在傳統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。

改變傳統單一取壓位置,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。根據渦流理論,位于彎管45°、22.5°、67.5°內外側管壁可以***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°內側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°內外側、22.5°外側、67.5°外側。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。

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

仿真模擬對象為水平布置,內徑為50 mm,彎徑比為1.25的90°彎頭。采用CFX程序對各取壓點兩兩組合的測量點進行穩(wěn)態(tài)數值模擬:(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。

不同流量下測壓方案研究的目的是根據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。由于流質溫度及系統壓力對測量結果沒有特別大的影響,所以設定系統壓力為2.0 MPa,溫度為20℃。

根據渦流理論,采用取壓點組合方式有:(1)22.5°外側與45°內側;(2)67.5°外側與45°內側;(3)45°內外側。

模擬中湍流模型采用標準k-ε模型,模擬結果以45°內外側壓差為標準,進行偏差分析(圖1)。結果發(fā)現:幾種組合測壓結果相近,組合(1)的壓差一直小于組合(2)的壓差;當流速小于1.5m/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)的壓差模擬結果。流速為0.3 m/s時,壓差僅為65 Pa,而國內現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。

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?？紤]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。

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°內外側。利用ICEM軟件進行網格劃分后,進行網格敏感性分析,***后在文獻[1]采用的標定點中選擇3個流量點進行比較,系統為常溫常壓。

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

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***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階段國內能標定差壓表的***小值。在相同壓差下,傳統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%。

經一系列調整***佳節(jié)流件的布置位置,得到***佳節(jié)流件布置方案,并將模擬結果與傳統彎管流量計(下稱傳統型)模擬結果進行對比。

由圖3可以發(fā)現: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的擬合關系式:

式中,κ為流量系數;Re為雷諾數。

流量系數與Re相關的系數為0.0057,遠遠小于常數2.5612,可以確定機翼型彎管流量計流量系數基本上達到自模,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。

本研究根據非能動余熱排出系統低流量的特點,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。可見對于小口徑的彎管流量計,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果***優(yōu)化;對于文中的傳統型彎管流量計而言:當流速低于1.5 m/s時,應當選用67.5°外側和45°內側的壓差測量方案;當流速高于1.5 m/s時,應當選用45°內外側的壓差測量方案。

(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。