大双螺旋稳压器喷雾头阻力特性数值分析研究①

孙 燕 陈 聪 李发强 汪 宇 王 月

(1.中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室；2. 森泰英格(成都)数控刀具有限公司；3. 中国成达工程有限公司)

大双螺旋稳压器喷雾头阻力特性数值分析研究①

孙 燕1陈 聪1李发强2汪 宇1王 月3

(1.中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室；2. 森泰英格(成都)数控刀具有限公司；3. 中国成达工程有限公司)

通过计算流体力学(CFD)方法，研究了大双螺旋稳压器喷雾头内部的流动情况，分析了小混合室、大混合室的结构和螺旋流道螺旋角对喷雾头流量系数的影响。通过分析得到，混合室结构中，最终影响流量系数的因素为混合室的出口直径；小混合室出口直径越大，流量系数越大；大混合室出口直径越大，流量系数越小；在所研究的范围内，大混合室出口直径对流量系数的影响更明显；内、外芯螺旋流道的螺旋角越大，流量系数越大。

稳压器 大双螺旋喷雾头 阻力特性 流量系数 计算流体力学(CFD)

在压水堆一回路系统中，稳压器顶部的喷雾头与冷却剂系统的冷管段相连[1]，当稳压器上部的饱和蒸汽压力高时，喷雾头通过对饱和蒸汽进行喷淋以达到降压的效果[2，3]。喷雾头的雾化性能直接决定了它缓解系统压力正波动的能力。压水堆稳压器广泛采用离心式喷雾头，在离心式喷雾头中，过冷水进入喷雾头后，经过螺旋流道使水流方向发生改变，产生旋转后到达喷嘴前端的混合室，增加水流的湍流强度后，再由喷嘴喷出[4]，其雾化性能取决于喷雾头出入口的压差和内部结构。

以往对稳压器喷雾头阻力特性的研究主要建立在经验和试验的基础上。笔者通过计算流体力学方法(CFD)，研究大双螺旋喷雾头内部的流动情况，分析小混合室、大混合室的结构和螺旋流道螺旋角对喷雾头阻力特性的影响，为稳压器大双螺旋喷雾头的设计提供参考。

1 喷雾头阻力特性分析

在喷雾头的设计计算中，由于流体从喷雾头的前部管段流入喷雾头，最后由喷雾头的喷口流出，不论流体在喷雾头内部的运动过程如何，可视为恒定压差下流体经管嘴的运动，其流量与喷雾头喷口和压头的关系为[5]：

(1)

式中g——重力加速度，9.81m/s2；

H——喷雾头压头，米水柱；

Q——流经喷雾头的流体流量，m3/s；

μ——流量系数；

ω——喷雾头喷口的断面积，m2。

用Δp/ρg代替式(1)中的H，用ωV(V为出口流速，m/s)代替Q，得到：

(2)

式中 Δp——喷雾头出入口的压降，Pa；

ρ——流体密度，kg/m3。

综上所述，对大双螺旋喷雾头阻力特性的研究主要是对其流量系数μ的研究。

2 计算模型及条件

2.1 计算结构模型

大双螺旋喷雾头由内芯、外芯和外壳组成。笔者所用的计算结构模型参考文献[5]中的大双螺旋喷雾头结构，通过适当修改得到如图1a所示的大双螺旋喷雾头流体区域的结构。外芯均匀分布6个螺旋流道，内芯均匀分布4个螺旋流道，中间为直形流道。直形流道和内芯螺旋流道内的流体在小混合室混合后，与外芯螺旋流道的流体在大混合室混合，最终由出口喷出。计算时，在喷雾头前端增加1段直管段，以使入口边界只有1个。整个计算结构模型的剖面如图1b所示。结构模型中，内芯和外芯螺旋流道的螺旋角α为45°，小混合室的导锥角β为30°，长度h1为26.2mm，出口直径d1为23.1mm，大混合室的导锥角γ为35.7°，长度h2为67.8mm，出口直径d2为29mm。

图1 大双螺旋喷雾头的计算结构模型

2.2 控制方程

喷雾头内流体运动的控制方程包括连续方程、动量方程和能量方程[6]：

(3)

(4)

(5)

式中cp——流体的定压比热容，J/(kg·K)；

gi——重力加速度在i方向上的分量，m/s2；

h——流体的比焓，J/kg；

p——流体的时均压力，Pa；

S——能量方程的源项，J/(m3·s)；

ui、uj——流体的时均速度分量，m/s，i、j=1，2，3；

ui′——速度ui的脉动量，m/s，i=1，2，3；

θ——温度T的脉动量，K；

λ——流体的导热系数，W/(m·K)；

μ——层流动力粘性系数，kg/(m·s)；

求解器采用ANSYS CFX。 由于喷雾头内的流体在出入口压差作用下高速旋转，因此为湍流流动，计算中采用RNGk-ε湍流模型。

2.3 计算条件

流体介质为单相水；入口取质量流量边界条件，参考文献[5]中喷雾流量为15～30t/h时推荐的喷雾头类型为大双螺旋喷雾头，因此喷雾流量取该流量范围之内的26.28t/h(25℃，0.1MPa)；出口边界条件取压力边界条件，相对压力为0MPa；壁面设为绝热，采用无滑移边界条件，粗糙度为0.006 3mm。

采用Workbench进行四面体网格划分(图2)。通过网格敏感性分析，取网格数量为66万个。

图2 大双螺旋喷雾头的网格划分情况

3 大双螺旋喷雾头阻力特性研究

3.1 喷雾头内流动情况研究

对于图1所示的大双螺旋喷雾头结构模型，计算得到喷雾头内的流线图如图3所示，剖面上的速度和压力分布云图分别如图4、5所示。由图可知，流经内芯螺旋流道内的流体，沿着螺旋流道以较高的流速进入小混合室后，部分沿着腔室壁面高速旋转，部分与流经中间直形流道的流体混合，之后由小混合室的喷口喷入大混合室；流经外芯螺旋流道内的流体流入大混合室后，部分沿着腔室壁面高速旋转，部分与小混合室喷出的流体 混合，最终由大混合室的喷嘴喷出。由于流经中间直形流道的流体在小混合室、大混合室内与螺旋流道流出的部分流体混合、叠加，使得小混合室、大混合室的中心流速较高；混合室内流体的旋转流动使得流体受离心力作用向外围流动，因此壁面处流体聚集，压力较大，而中心处由于受离心力作用，压力较低。

图3 大双螺旋喷雾头内流线图

图4 剖面速度云图

图5 剖面压力云图

经过计算，得到喷雾头出入口的压降为0.2MPa，由式(2)计算得到其流量系数为0.555。

3.2 小混合室结构对流量系数的影响

图1所示的结构模型中，小混合室的导锥角β为30°，长度h1为26.2mm，出口直径d1取值为23.1mm。

保持小混合室长度h1不变，改变小混合室的 导锥角β。表1为几组β值对应的小混合室的

表1 几组β值和对应的d1、μ值

出口直径d1和计算得到的对应的流量系数μ。

保持小混合室导锥角β不变，改变小混合室的长度h1。表2为几组h1值对应的小混合室的出口直径d1和计算得到的对应的流量系数μ。

表2 几组h1值和对应的d1、μ值

由表1、2可知，改变小混合室的导锥角β和长度h1最终均使得小混合室出口直径d1(即出口截面积)发生了变化，这两者的改变导致喷雾头流量系数μ随小混合室出口直径d1的变化趋势如图6所示。

图6 流量系数随小混合室出口直径的变化

由图6可知，当小混合室出口直径相同时(即出口截面积相同)，小混合室导锥角的改变和小混合室长度的改变引起的喷雾头流量系数变化差别比较小，可以认为在小混合室的结构中，最终影响喷雾头流量系数的因素为小混合室的出口直径(即出口截面积)，出口直径越小，喷雾头的流量系数越小，反之越大。原因在于，喷雾流量不变时，喷雾头出口流速不变，而小混合室的出口直径越小，相当于喷雾头的阻力越大，由式(2)可知，喷雾头的流量系数就越小，反之亦然。

经计算，在所研究的范围内，小混合室出口直径每减小1mm，喷雾头流量系数平均减小0.005。

3.3 大混合室结构对流量系数的影响

图1所示的结构模型中，大混合室的导锥角γ为35.7°，长度h2为67.8mm，出口直径d2为29mm。为了得到大混合室结构对流量系数的影响，进行了如下的研究。

保持大混合室长度h2不变，改变大混合室的导锥角γ。表3为几组γ值对应的大混合室的出口直径d2和计算得到的对应的流量系数μ。

表3 几组γ值和对应的d2、μ值

保持大混合室导锥角γ不变，改变大混合室的长度h2。表4为几组h2值对应的大混合室的出口直径d2和计算得到的对应的流量系数μ。

表4 几组h2值以及对应的d2、μ值

由表3、4可知，改变大混合室的导锥角γ和改变大混合室长度h2最终均使得大混合室出口直径d2(即出口截面积)发生了变化，这两者的改变导致喷雾头的流量系数μ随大混合室出口直径d2的变化趋势如图7所示。可见，当大混合室出口直径相同时(即出口截面积相同)，大混合室导锥角的改变和大混合室长度的改变引起的喷雾头流量系数变化差别很小，可见在大混合室的结构中，最终影响喷雾头流量系数的因素为大混合室的出口直径(即出口截面积)，出口直径越小，喷雾头的流量系数越大，反之越小。原因在于，大混合室的出口直径越小，喷雾头的阻力越大，相当于式(2)中Δp越大，而喷雾流量不变时，喷雾头出口流速V随出口直径减小而增大，由于V2增大的幅度大于Δp增大的幅度，使得式(2)中流量系数μ增大，反之亦然。

图7 喷雾头流量系数随大混合室出口直径的变化

经计算，在所研究的范围内，大混合室出口直径每减小1mm，喷雾头流量系数平均增大0.019。

3.4 螺旋流道螺旋角对流量系数的影响

图1所示的结构模型中，内芯和外芯螺旋流道的螺旋角α均为45°，对应的喷雾头流量系数μ为0.555。为了得到螺旋角对流量系数的影响，分别将螺旋角改为30°和60°，对应的喷雾头流量系数μ分别为0.529、0.662。由此可知，大双螺旋喷雾头的螺旋角越大，喷雾头的流量系数越大。原因在于，喷雾流量不变时，喷雾头出口流速不变，当螺旋角增大时，螺旋流道与进口处流体流动方向夹角减小，螺旋流道长度缩短，且喷雾头内流体的螺旋流动程度减小，这些因素均使得喷雾头压降减小，由式(2)可知，流量系数增大，反之亦然。

4 结束语

通过计算流体力学方法(CFD)，研究了大双螺旋稳压器喷雾头内的流动情况，分析了小混合室、大混合室的结构和内外芯螺旋流道螺旋角对反映喷雾头阻力特性的参数——流量系数的影响。通过分析可知：混合室的结构中，最终影响喷

雾头流量系数的因素为混合室的出口直径(即出口截面积)；对于小混合室，出口直径越大，喷雾头的流量系数越大；对于大混合室，出口直径越大，喷雾头的流量系数越小；对于计算采用的结构，小混合室出口直径每减小1mm，喷雾头流量系数平均减小0.005，大混合室出口直径每减小1mm，喷雾头流量系数平均增大0.019，大混合室出口直径对喷雾头流量系数的影响更明显；内、外芯螺旋流道的螺旋角也影响喷雾头的流量系数，螺旋角越大，喷雾头流量系数越大。笔者的研究结果可以为大双螺旋稳压器喷雾头的设计提供参考：当系统中喷雾泵无法提供喷雾头喷雾所需的压头时，可以通过喷雾头混合室结构、螺旋流道螺旋角的调整来降低喷雾头喷雾压差，使得喷雾泵扬程和系统阻力相匹配。值得注意的是，上述结构的调整是在喷雾头雾化质量保证的前提下进行。

[1] 朱继洲，濮继龙.压水堆核电厂的运行[M]. 北京：原子能出版社，2000：45～46.

[2] 邓丰，何劲松，黄燕，等.稳压器雾化液滴动力和传热特性数值分析[J].核动力工程，2013，34(z1)：136～140.

[3] 俞忠原，徐晓梅，鲁悦.蒸汽稳压器控制系统的仿真研究[J].哈尔滨船舶工程学院学报，1992，13(1)：34～46.

[4] 王文靖，蒋仲安，陈举师，等.不同结构喷嘴内外流场的数值模拟分析[J].煤矿安全，2013，44(11)：162～165.

[5] 刁温堂.压水堆稳压器用喷雾器的试验研究[J].中国核科技报告，1989，(z3)：57.

[6] 陶文铨.数值传热学 [M].西安：西安交通大学出版社，2001：1～5.

2016-01-06，

2016-11-09)

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NumericalAnalysisofResistanceCharacteristicofLarge-scaleDouble-helixPressurizerSprayer

SUN Yan1, CHEN Cong1, LI Fa-qiang2, WANG Yu1, WANG Yue3

(1.KeyLaboratoryofScienceandTechnologyforNuclearReactorSystemDesign,NuclearPowerInstituteofChina; 2.Centrix-EG(Chengdu)Co.,Ltd.; 3.ChinaChengdaEngineeringCo.,Ltd.)

孙燕(1987-)，工程师，从事核动力装置的设计工作，715624762@qq.com。

TQ051.3

A

0254-6094(2017)01-0088-06