核电鼓网清淤设备沥水篮设计及内部流场分析

吕永生 吕磊 何钢 李强 张敏 陆素君

关键词：鼓形滤网;清淤设备;沥水篮;孔径;内流场分析

0引言

鼓形滤网是核电循环水系统的重要设备之一，能够有效过滤冷却水源中的海生物垃圾;但由于部分垃圾不能及时清除而长期淤积在鼓网底部，最终影响鼓网的正常运行，给核电站带来安全隐患。因此，鼓网底部清淤设备是保障核电站安全运行的重要条件。

目前，根据鼓网底部淤积物的特点，抽吸的方式較为适合;根据抽吸装置的布置位置，抽吸方案又分为水上抽吸和水下抽吸，其中前者对泵电机的功率和泵的扬程要求高，设备体积大、成本高;后者将整个抽吸主体置于水中，淤积物通过泵和管道进入沥水篮中进行沉降，对泵电机功率要求低，具有体积小、成本低的显著优势，但由于水中流场复杂，沥水篮的设计显著影响着淤积物的沉降和清淤的效率，是决定清淤设备研发成败的关键难题。

随着计算流体力学的发展，采用数值仿真方法可快速高效获取流场特性，但由于沥水篮的多孔结构，导致网格划分与流场分析效率较低;为提高多孔结构的计算效率，国内外学者已展开相关研究。陶洪飞等利用Fluent软件对直冲洗网式过滤器进行了流场的数值模拟，将滤网形状做成渐缩式，提高了过滤效率;权洁等通过多孔介质模型模拟纤维过滤器在不同工况下，滤层结构和滤速对其过滤效果的影响;屈帅丞等利用多孔介质模型对翅片管束进行外流场分析，并将实体模型的分析结果与之比较，两者误差在10%以内。

针对核电鼓网底部清淤设备中水下沥水篮的设计难题，本文结合淤积物的沉降和抽吸实验，基于多孔介质模型，采用实验与数值仿真相结合的方法对沥水篮内部流场进行深入分析，以实现淤积物的沉降和高效清淤，为沥水篮的设计与优化提供参考。

1仿真模型的建立

1.1沥水篮的结构设计

清淤的整体方案如图1所示，清淤设备置于竖直通道中的水下，其主体由沥水篮、抽吸泵和电机组成，与抽吸泵相连的抽吸管用于抽取淤积物;当抽吸完成后，竖直通道上方的升降装置会将清淤主体装置和抽吸管提升至地面，为保证清淤主体上下运行的平稳性和可靠性，在主体装置靠近井壁的两侧都设有减震导向装置。

清淤设备中的沥水篮采用框架式焊接结构，四周采用角铁作为立柱，顶部采用螺栓固定到抽吸框上，底部装有挡板卸料阀，侧面留有与抽吸泵管路连接的接口。

1.2淤积物沉降计算

沥水篮侧面的滤网结构对淤积物的沉降具有重要影响，网孔过大或过小都会影响沥水篮的流场性能和清淤效果。为确定沥水篮的相关设计参数，需要先分析抽吸上来的淤积物在沥水篮中的沉降速度。鼓形滤网底部的淤积物主要以青口为主，属于不规则形状杂物，其沉降速度可以采用以下公式计算：

图2所示为实心颗粒粒径与沉降速度的曲线，从图中可看出，随着粒径的增大，沉降速度也随之增大，当粒径接近100mm时，颗粒沉降速度达到了2m/s。青口的密度和形状与石块具有较大差异，但其沉降的基本规律与图2相同，即流速达到一定值时，便能在沥水篮中实现沉降。

为分析泵的出口水流速度变化趋势，给出了清水射流速度分析结果，如图3所示，其中图3（a）为水射流示意图，图3（b）为在泵出口管道离射流口不同距离上的水流速度变化曲线，其中轴线方向上速度最大，管道截面上距离轴线距离越远的位置速度较低，如距离射流口1m距离处的管道截面平均速度可降到0.18m/s。考虑到实际抽吸过程中垃圾物的存在，同时可通过优化连接抽吸泵与沥水篮侧面的管道走向，从而进一步降低流速，使得实际流速衰减得更快，基本可满足垃圾中青口的沉降速度要求。

1.3沥水篮有限元模型的建立

1.3.1分析模型的建立与网格划分

沥水篮主要由沥水篮框体、沥水斗、方圆管和挡板卸料阀组成，根据清淤设备的整体结构布局，沥水篮可以设计成方形与圆形两种形式。采用四面体网格对沥水篮进行网格划分，划分完成的沥水篮有限元模型如图4～5所示，网格的平均质量达到了0.7。

在实际工作中沥水篮要置于截面长2m、宽1m。深度约为15m的水下，将外部流场全部建立出来难度较大，因此采用简化处理，只截取沥水篮这一部分的外部流场进行分析。鉴于多孔介质模型在网孔结构中具有良好的适用性，本文同样采用多孔介质模型模拟滤网，只需建立滤网的外形。

1.3.2边界条件的设置

进口边界条件：根据泵的流量计算，在实际运行过程中泵的扬程设置为8 m，根据电机性能参数，此时泵流量为400 m3/h，出口流速为v=3.17 m/s，采用速度入口边界条件。

出口边界条件：由于出口的流速与压力未知，所以出口边界条件设为Outflow。

壁面设为无滑移边界，多孔介质内外表面、内部流场的外接触表面及外部流场的内接触表面都为Interface，将外部流场与内部流场连接起来进行数据的传递。

1.4计算模型及参数的确定

清淤设备中的流场运动情况通过求解N-S方程获得，其内部水流的流动属于湍流且不可压缩，对于温度的变化并不敏感，故不考虑能量的传递过程，对于网式过滤器的数值模拟选择RNG K-s湍流模型的计算精度最高。沥水篮结构与网式过滤器的结构相似，因此采用RNGK-s湍流模型进行数值计算，滤网通过多孔介质模型进行简化，其主要是在动量方程中增加了一个能代表多孔介质对流体的阻力项，即动量源项S，表达式如下所示：

实际工况中，一部分贝壳在经过抽吸泵时会被抽吸泵叶片打碎，导致淤积物的尺寸不稳定。为了确定沥水篮网板的孔径，做了3组青口贝壳的预运行实验，实验结果如图6所示。

从贝壳破碎的情况来看，有相当一部分没有发生破碎，且尺寸越小的占比越小，故拟采用孔径为1mm、2mm、3mm的网板进行数值模拟，根据以上公式计算沥水篮数值模拟关键参数如表1所示。

2仿真结果与分析

2.1不同结构形式的沥水篮内流场分析

在设备运行过程中，沥水篮的结构形式会影响内部流场的稳定性，因此需要对两种不同结构形式的沥水篮进行数值分析，探究其内部流场的变化情况。

图7所示为两种滤水篮水流速度云图，从图中可看出两种滤水篮内部流场水流速度变化规律基本相同，水流进入沥水篮管道后，沿竖直管道进入第二个弯头时，靠管道右侧壁的水流流速增加，在沥水篮右上方形成了一个漩涡区。

图8所示为不同结构形式沥水篮的对称平面压力云图，水流从人口进入管路过程中会发生局部水头损失和沿程水头损失，弯头处外侧压力大于内侧压力。在方圆管接口处，管道的截面发生突变，水流离开圆形管口后逐渐扩大，在拐角处形成两个低压力区。如图9所示，圆形沥水篮形成的低压区较小，这是因为圆形沥水篮与圆管接口的拐角处是一个圆弧面，有利于水流向四周扩散，形成的漩涡较小，低压区也较小。

图10所示为两种沥水篮在对称面上的湍动能分布图。从图10（a）可看出，方形沥水篮内的湍动能主要分布在进口管路弯头处以及方圆管与沥水篮接口的拐角处;从图10（b）可看出，圆形沥水篮内的湍动能主要分布在圆管与沥水篮接口的拐角处，并且范围比方形沥水篮大，这是因为圆形沥水篮的圆弧面能更充分地与该区域水流接触，从而产生较大的能量消耗和较大的水头损失。

通过对相同工况下的方形沥水篮和圆形沥水篮内流场分析可知，圆形沥水篮内部压强分布均匀，但其均值大于方形沥水篮;方形沥水篮低速区域比圆形沥水篮大，泄压性能更好，抽取的淤积物更容易沉降，综合考虑采用方形结构沥水篮设计方案。

2.2滤网孔径对沥水篮内部流场的影响

为了探究沥水篮网板孔径对其内部流场的影响，分别对网孔直径为1mm、2mm、3mm的沥水篮内部流场进行数值分析，图11所示为3种不同孔径的沥水篮过滤清水时的水流速度分布云图。通过对比分析可知：在不同直径网孔过滤作用下，沥水篮内部速度场的分布规律基本相似。由于水下环境压差的作用，射人沥水篮中的水流从沥水篮上方网板流出;若沥水篮的网板孔径越小，从上方流出的水流遇到的阻力就越大，水流进入沥水篮中的方向就会发生改变。当网孔直径为1mm时，水流基本上沿着水平方向射入沥水篮中;当网孔直径为2mm时，进入沥水篮中的水流从上方网板的左侧流出;当网孔直径为3mm时，进入沥水篮中的水流从上方网板的中间流出。

图12所示为3种不同孔径沥水篮过滤清水时的压力分布情况，由图中可以看到网孔直径为1mm与2mm的沥水篮内部压强场的分布规律相似，压强值相差较小。网孔直径为3mm的沥水篮内部最大压强高于网孔直径为1mm与2mm的沥水篮。网板的孔径越大，其外部水流压强场的分布越均匀;网孔越小，管路中的水进入沥水篮后难以流出，外部流场中的水难以进入，内外压差越大。

图13所示为3种工况下沥水篮对称面上的湍动能分布云图，通过对比分析可知：网板的孔径越大，其内部流体的湍动能越稳定。

通过对3种不同孔径的沥水篮内流场分析比较可以看出，网孔的孔径越大其内流场压力分布越均匀，这与实际情况相符，说明分析结果正确。当网孔直径为1mm时，水流进入内部后压强明显上升，且高压区主要分布在沥水篮的顶部和底部，其内部产生了堵塞现象，因此网孔直径为1mm的网板不适用。网孔越大内外压差越小，更适合清淤设备的运行，但是网孔直径过大又会影响清淤设备的清淤效率，网孔直径为2mm和3mm的沥水篮内流场的流速的变化情况基本一致，压强也相差不大，综合考虑采用网孔直径为2mm的网板。

3结束语

本文通过多孔介质模型对沥水篮进行简化，采用实验与数值仿真相结合的方法对不同形式和不同孔径的沥水篮内部流场进行深入分析，得出如下结论。

（1）青口要在沥水篮中高效沉降，主要取决于青口的沉降速度和青口抽吸时的水流速度，而射入沥水篮的水流速度越小，越有助于青口的沉降。

（2）根据青口抽吸实验，得到了抽吸完成后青口的破碎情况，以破碎青口的最小尺寸为参考，推算出沥水篮的孔径设计范围，同时根据经验公式计算出不同孔径下沥水篮数值模拟的关键参数。

（3）方形沥水篮内部水流速度低于圓形沥水篮，使得抽吸的淤积物更易于沉降，且泄压性能也比圆形沥水篮好。

（4）网板孔径越小，越容易在沥水篮的内部产生堵塞，孔径越大，网板两侧压差越小，清淤效果也越差，综合考虑，最终选取沥水篮网板孔径为2mm。

本研究后续将进一步对沥水篮进行改进，使其适用性更强，可以更好地收集抽吸上来的各种淤积物。