核電廠彎管對(duì)泵入口流動(dòng)影響及改進(jìn)

曹德嘉

（上海核工程研究設(shè)計(jì)院，上海 200233）

核電廠彎管對(duì)泵入口流動(dòng)影響及改進(jìn)

曹德嘉

（上海核工程研究設(shè)計(jì)院，上海 200233）

文章運(yùn)用Fluent軟件中的RNG k-ε模型對(duì)核電廠彎管后的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)彎管后3倍徑直管段內(nèi)流速分布不均。為避免流速不均對(duì)離心泵的運(yùn)行產(chǎn)生不利影響，使用兩種導(dǎo)流彎管進(jìn)行整流。對(duì)導(dǎo)流結(jié)果進(jìn)行比較，表明彎管內(nèi)設(shè)置導(dǎo)流板進(jìn)行整流能較好地改善下游流體速度分布。

導(dǎo)流彎管；速度；數(shù)值模擬

彎管在核電廠設(shè)計(jì)中被廣泛應(yīng)用于改變流體的運(yùn)動(dòng)方向。彎管內(nèi)流體流動(dòng)方向的改變將造成壁面附近產(chǎn)生分離區(qū)和二次流［1-2］。流體流經(jīng)彎管時(shí)，彎管內(nèi)側(cè)速度大、壓力低，外側(cè)速度小、壓力高；進(jìn)入直管段后彎管內(nèi)側(cè)的壓力逐漸上升，外側(cè)的壓力逐漸下降。通過彎管后的流體需要通過很長的一段直管才能恢復(fù)穩(wěn)定的流動(dòng)狀態(tài)［3］。而核電廠中的常用設(shè)備離心泵則要求入口流體的速度和壓力分布均勻，以避免出現(xiàn)偏流和漩渦流使泵的運(yùn)行效率降低。因此，國內(nèi)外的各種標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范都對(duì)離心泵入口與上游彎管間的直管段長度給出了具體要求，國內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)要求直管段長度為3倍管道內(nèi)徑［4］；而國外標(biāo)準(zhǔn)更為嚴(yán)格，為5倍管道內(nèi)徑［5］。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，受制于廠房面積和設(shè)備布置，泵入口管道的布置設(shè)計(jì)常常無法滿足上述要求。通?？刹捎脤?dǎo)流彎管的措施改善彎管出口處的流體，降低彎管對(duì)泵入口的影響。本文基于實(shí)際工程案例，使用Fluent軟件對(duì)彎管內(nèi)和彎管下游流體的流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，驗(yàn)證上述直管段要求的合理性；通過對(duì)兩種常用的導(dǎo)流彎管方案進(jìn)行數(shù)值模擬，為工程設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1　幾何模型與網(wǎng)格劃分

1.1幾何模型

某核電廠離心泵入口管道選用不銹鋼40S管道，內(nèi)徑D=202.74 mm；入口管道水平布置，設(shè)有2倍徑彎管；彎管出口與泵入口間距離為1.5D。入口管段為水平布置且管道截面中心對(duì)稱，因此管道簡化為2D模型。

1.2控制方程和邊界條件

模型中介質(zhì)為水，屬于不可壓流體。由于為帶有彎曲壁面的模型，因此選用RNG k-ε模型。管道入口流速根據(jù)泵的額定流量和管道內(nèi)徑確定為2.35 m/s；湍流定義采用湍流強(qiáng)度和水力半徑方法，湍流強(qiáng)度為0.312 3，水力半徑為圓管道內(nèi)徑202.74 mm；管道出口為壓力出口，壓力設(shè)為恒定值0.05 MPa；采用SIMPLE算法耦合求解壓力和速度的耦合。

2　數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果

2.1彎管后直管段內(nèi)流動(dòng)模擬

彎管及其后直管段內(nèi)的壓力分布云圖見圖1，管道內(nèi)速度分布云圖見圖2。流體在彎管內(nèi)速度分布極不均勻。彎管內(nèi)側(cè)近管壁處速度最高，速度沿徑向方向遞減，外側(cè)管壁處速度最低。流體經(jīng)彎曲段過渡到出口直管段時(shí)，由于彎管段流體的慣性而流向外徑弧面，造成流體層從內(nèi)徑至外徑的分離從而引起出流速不均勻［6］。

根據(jù)國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)推薦和實(shí)際工程案例，選取彎管出口后1.5D、3D和5D直管段截面，其從彎曲半徑內(nèi)側(cè)向外沿徑向速度分布見圖3。圖3表明，在1.5D和3D直管段截面處流速分布類似，均為彎曲半徑內(nèi)側(cè)管壁速度低，外側(cè)管壁速度高，速度沿半徑增大近似線性上升，波動(dòng)范圍為1.8～2.7 m/s。在5D直管段截面處，除靠近管壁處的取樣點(diǎn)外，其余取樣點(diǎn)速度近似相等，速度在2.3 m/s處波動(dòng)。

根據(jù)上述數(shù)據(jù)歸納可得：彎管出口后1.5D和3D直管段處由彎管導(dǎo)致的流速不均勻性依然存在；當(dāng)直管段延長至5D時(shí)，流速均勻性較好，彎管的影響可忽略。

圖1　管道內(nèi)壓力分布Fig.1　Contours of pressure

圖2　管道內(nèi)速度分布Fig.2　Contours of velocity

圖3　彎管后不同長度直管段截面徑向速度分布Fig.3　Velocity distribution at different straight pipe sections of bend

2.2導(dǎo)流彎管后直管段內(nèi)流動(dòng)模擬

在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，對(duì)于大口徑管道5D直管段的要求往往無法滿足，通常用導(dǎo)流彎管進(jìn)行整流。有兩種常用的導(dǎo)流彎管結(jié)構(gòu)：1）彎管內(nèi)設(shè)置不同彎曲半徑的導(dǎo)流板以分割流道；2）在彎管外側(cè)管壁和彎管出口處增加折流板，引導(dǎo)彎管外側(cè)管壁處流體向管道中心處流動(dòng)。以下對(duì)上述兩種結(jié)構(gòu)建立假想模型進(jìn)行數(shù)值模擬。

方案1：在彎管內(nèi)等距離設(shè)置2塊導(dǎo)流板，將彎管內(nèi)流道分割為3層。在相同邊界條件下計(jì)算。其壓力和速度分布云圖見圖4和圖5，從圖中可以發(fā)現(xiàn)由于彎管被導(dǎo)流板分成了3個(gè)獨(dú)立的流道，單個(gè)流道內(nèi)的速度分布與不設(shè)導(dǎo)流板的彎管一致，均為內(nèi)側(cè)速度高，外側(cè)速度低，但速度差明顯降低。選取彎管出口下游1.5D和3D直管段截面，其從彎曲半徑內(nèi)側(cè)向外沿徑向速度分布見圖6。其中可以發(fā)現(xiàn)盡管導(dǎo)流板的存在造成了局部速度的波動(dòng)，但波動(dòng)范圍不大，各點(diǎn)流速基本在2.2～2.5 m/s范圍內(nèi)變化，總體流速分布平穩(wěn)。

圖4　管道內(nèi)壓力分布Fig.4　Contours of pressure

方案2：彎管外側(cè)管壁和彎管出口處設(shè)置折流板對(duì)管道進(jìn)行導(dǎo)流，引導(dǎo)流體向內(nèi)側(cè)流動(dòng)，抵消部分彎管產(chǎn)生的影響。其壓力和速度分布云圖見圖7和圖8。從圖中可以發(fā)現(xiàn)彎管內(nèi)側(cè)折流板實(shí)際減少了流道面積；出口處的折流板減小了出口面積擴(kuò)大了流速。選取彎管出口后1.5D和3D直管段截面，從彎曲半徑內(nèi)側(cè)向外沿徑向速度分布見圖9。1.5D和3D直管段截面上速度沿徑向距離變化趨勢(shì)相同，均緩慢上升后至距內(nèi)側(cè)管壁150 mm處達(dá)到最大2.7 m/s后快速下降。造成該現(xiàn)象的原因主要是由于彎管出口處折流板的存在使靠近外管壁處的流場(chǎng)出現(xiàn)了低流速區(qū)。由于低流速區(qū)隨直管段長度的增加而逐漸減弱，因此，3D直管段的變化趨勢(shì)小于1.5D直管段。

圖6　彎管后1.5D和3D直管段截面速度分布Fig.6　Velocity distribution at 1.5D and 3D straight tpipe sections of bend

圖7　管道內(nèi)壓力分布Fig.7　Contours of pressure

圖8　管道內(nèi)速度分布Fig.8　Contours of velocity

3　3種工況的比較

圖10和圖11分別顯示了普通彎管、導(dǎo)流彎管方案1和導(dǎo)流彎管方案2出口1.5D直管段和3D直管段截面處速度沿徑向變化的趨勢(shì)。在1.5D和3D處普通彎管出口流速近似線性變化，變化范圍較大；導(dǎo)流彎管方案1的流速分布較為平穩(wěn)，波動(dòng)范圍??；導(dǎo)流彎管方案2在徑向距離0～150 mm處速度分布平穩(wěn)，但在150～202 mm處由于出口折流板的存在出現(xiàn)低流速區(qū)，使速度快速下降。

圖9　彎管后1.5D和3D直管段截面速度分布Fig.9　Velocity distribution at 1.5D and 3D straight pipe sections of bend

圖10　彎管出口處1.5D直管段截面速度分布Fig.10　Velocity distribution at 1.5D straight pipe section of bend

圖11　彎管出口處3D直管段截面速度分布Fig.11　Velocity distribution at 3D straight pipe section of bend

4　結(jié)論

1）普通彎管出口5D直管段后流速分布平穩(wěn)；1.5D～3D直管段間速度變化較大，有明顯的速度分層。因此為避免速度分層對(duì)離心泵運(yùn)行的影響，彎管與泵入口間的直管段長度應(yīng)至少為5倍管道內(nèi)徑。

2）導(dǎo)流彎管能明顯改善下游流場(chǎng)內(nèi)的流速分布，使流速平穩(wěn)所需要的直管段長度大大減少。其中導(dǎo)流板方案1的模擬計(jì)算結(jié)果優(yōu)于導(dǎo)流板方案2，為優(yōu)選方案。

［1］ CRANE CO. Flow of Fluids - Through Valve，F(xiàn)ittings and Pipes ［M］. New York： Crane Corporation，1983.

［2］ Yakinthos K. Vlahostergios Z. Goulas A. Modeling the flow in a 90°rectangular duct using one Reynolds-stress and two eddyviscosity models［J］. International Journal of Heat and Fluid Flow. 2008 29： 35-47.

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［4］ 宋岢岢.壓力管道設(shè)計(jì)及工程實(shí)例［M］. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.（SONG Ke-ke. Pressure Pipe Design and Engineering Practice［M］. Beijing：Chemical Industry Press， 2007.）

［5］ AMERICAN PETROLEUM INSTITUTE.API Recommended practice 686［M］. Washington D.C.：API Publishing Services，1996.

［6］ 藍(lán)立偉. 導(dǎo)流彎管數(shù)值模擬分析［J］. 廣州化工，2014，42（1）：105-106.（LAN Li-wei. Numerical Simulation and Analysis of Diversion Bent Tube. Guangzhou Chemical Industry， 2014， 42（1）：105-106.）

Study on the Bend Effect on Pump Suction Piping and Improvement

CAO De-jia
（Shanghai Nuclear Engineering and Research Design Institute，Shanghai 200233，China）

RNG k-εmodule of fluent is used in numerical simulation of flow in piping downstream of bend. Results show that irregular flow exists in 3 inner diameters long straight piping. Two types of flow conditioner are designed to prevent disadvantage on centrifugal pump caused by irregular flow. Numerical simulation also shows that baffles in bend can improve the distribution of downstream velocity.

flow conditioner； velocity； numerical simulation

TL35 Article character：AArticle ID：1674-1617（2015）04-0300-06

TL35

A

1674-1617（2015）04-0300-06

2015-08-07

曹德嘉（1984—），男，江蘇人，工程師，本科，從事核電廠輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。