局部汽化对多级节流孔板阻力影响的数值模拟研究

王永

摘 要：文章使用FLUENT汽穴模型和单相流模型对多级节流孔板在不同入口速度时的压降进行了数值模拟，获得了不同入口速度时多级节流孔板的汽化位置和汽化程度以及局部汽化时多级节流孔板的阻力，并将汽穴模型分析结果与单相流模型分析结果进行对比，得到由于汽化引起多级节流孔板阻力增大的程度，为多级节流孔板设计提供了指导。

关键词：多级节流孔板；汽穴模型；数值模拟

前言

多级节流孔板由于结构简单、性能稳定，广泛用于核动力装置的回路系统（如：化容系统、安全壳喷淋系统、蒸发器排污系统等）中来增加回路阻力，限制管道流速。影响多级孔板阻力特性的因素中除了多级孔板的几何结构（如：级数、各级孔板孔径比、各级孔间距等）外，还与流体在多级孔板内部的状态有关。这是由于流体（液相）流经 节流孔板时会导致局部压力低于流体的饱和蒸汽压力，流体会在低压处汽化进而引起汽蚀，使得多级孔板的阻力特性与单相流动的特性偏离，影响核动力装置的安全运行。

为避免发生汽蚀，多级孔板设计时会考虑各级压降的比例（一般按照几何级数递减的方法，即第2级压降是第1级压降的1/2，以此类推），但是这并不能保证多级节流孔板中不发生局部的液体汽化。文献中已经有学者报道，使用CFD数值模拟的方法设计多级节流孔板，使得多级节流孔板压降分布更为合理[1]，[2]。但是仅对单相流动进行了分析研究，没有研究发生局部汽化时多级节流孔板的阻力。文章在使用FLUENT多相流动的混合模型基础上，选择Zwart-Gerber-Belamri气穴模型对多级孔板局部发生局部汽化时阻力分析研究，获得了局部汽化时多级节流孔板的阻力，并与单相流动模拟结果进行对比，可为多级孔板的设计提供指导。

1 几何模型与网格划分

图1为分析研究的多级节流孔板几何结构。由左向右两级布置，第2级孔略大于第1级孔。

图1 计算几何结构

为简化计算，采用1/4模型。截面设置为对称边界条件，网格划分如图2所示。

图2 网格划分

2 数学模型

使用FLUENT混合模型模拟流体在多级节流孔板汽化时汽液两相流动，混合模型基本控制方程文献报道的比较多，这里不再赘述。重点介绍由于压力变化导致汽液两相的质量传输方程。

3 边界条件与计算工况

3.1 边界条件

入口给定速度边界条件，出口为压力边界，设为101325Pa（标准大气压）；选择50℃水为计算工质，对应饱和蒸汽压为12351Pa，即当多级节流孔板內局部压力小于或等于该压力时，该处水将发生汽化。

3.2 计算工况

分别对表1中的工况进行了分析计算。

4 计算结果分析

4.1 入口速度为4.0m/s计算结果

从多级节流孔板空泡分布云图可以得出：入口速度为4.0m/s时，多级节流孔板已经汽化，汽化位置为两级的孔壁处。汽穴模型和单相流模型速度分布云图和压力分布云图可以得出：由于局部汽化的影响，汽穴模型计算最高速度高于单相流模型计算结果，阻力也大于单相流模型计算结果。多级节流孔板内发生局部汽化后，汽泡的存在会阻碍流体流动，使得流体阻力大于单相流时的阻力。

4.2 不同入口速度时，多级节流孔板汽化程度

从不同入口速度时，多级节流孔板汽泡分布云图可知：多级节流孔板在入口速度为1.2m/s时未发生汽化；在2.0m/s第1级孔处开始发生汽化；3.2m/s、4.0m/s和4.8m/s时两级孔处均发生了汽化而且随着入口速度的增加汽化面积逐渐变大。

4.3 不同入口速度时，多级节流孔板阻力

从多级节流孔板阻力随入口速度变化曲线可知：入口速度为1.2m/s时，由于多级节流孔板未发生汽化现象，单相流模型和汽穴模型计算结果接近。当入口速度大于2.0m/s后，汽穴模型计算结果均大于单相流模型计算结果，且随着入口速度的增加，偏离程度逐渐变大，入口速度为4.8m/s时偏差为21%。

从多级节流孔板阻力系数随雷诺数变化曲线可知：由于计算的五种工况雷诺数最小为5×104，单相流模型计算得到的阻力系数不再随着雷诺数的变化而变化。由于随着多级节流孔板入口速度的增加，汽化面积逐渐变大，汽穴模型计算得到阻力系数随着入口速度的增大而增大。

5 结束语

使用FLUENT汽穴模型和单相流模型对多级节流孔板阻力进行了分析研究，得到主要结论如下：

（1）当入口速度超过2.0m/s时，模拟的多级节流孔板内发生了局部汽化，随着入口速度的增大，汽化区域面积逐渐增大。

（2）多级节流孔板内发生局部汽化后，汽泡的存在会阻碍流体流动，使得流体阻力大于单相流时的阻力。

（3）随着入口速度的增加，汽化区域面积逐渐增大，两种模型计算结果偏离程度逐渐变大，最大偏差为21%。

（4）随着入口速度的增加，汽化区域面积逐渐变大，汽穴模型计算得到阻力系数随着雷诺数的增大而增大。

参考文献

[1]张毅雄，等.多级节流孔板在核级管道中的应用.核动力工程[J].2009，30（4）：71-74.

[2]刘万龙，等.小孔径多级孔板组件节流效应仿真[J].北京航空航天大学学报，2011，37（2）：241-244.