弯径比对HTR⁃10内90°弯头中氦气流动特性的影响

封贝贝，王世明，任成，杨星团，姜胜耀

（清华大学核能与新能源技术研究院，先进反应堆工程与安全教育部重点实验室，北京100084）

弯径比对HTR⁃10内90°弯头中氦气流动特性的影响

封贝贝，王世明，任成，杨星团，姜胜耀

（清华大学核能与新能源技术研究院，先进反应堆工程与安全教育部重点实验室，北京100084）

10 MW高温气冷堆（HTR⁃10）直接利用蒸汽发生器内的90°弯头结构对氦气流量进行测量，为了保证反应堆的安全性与经济性，结合实验和数值模拟的方法研究了不同弯径比条件下90°弯头内流体流动特性。依据弯头内、外弧面压力分布的实验结果对CFD计算模型的可信性进行了验证，并针对高温气冷堆蒸汽发生器内的工况，计算了不同弯径比条件下90°弯头处氦气的流动特性。对比实验结果和CFD模拟结果可发现，当管道直径一定时，弯头内、外弧面的压力呈现明显的不均匀分布现象，弯径比越小，内、外弧面的压差越大，压力分布的变化速率也越快。对于相同弯曲角度处截面上的压力分布来说，弯径比越小，压力分布的变化速率越大。

10 MW高温气冷堆；90°弯头；弯径比；数值模拟；氦气；流动特性

随着公众对核电安全性重视程度的不断提高，高温气冷堆以其良好的固有安全性和较高的经济性［1⁃2］在众多民用堆型中脱颖而出，成为我国核电发展领域的一种重要堆型。10 MW高温气冷堆（以下简称HTR⁃10）的成功建设和运行以及山东石岛湾高温气冷堆核电站示范工程的成功启动，标志着我国已经向第四代核电技术的开发与应用迈出了坚实的一步［3］。在HTR⁃10中，选用在高温高压条件下仍具有良好化学惰性和热物性的氦气作为一回路冷却剂。在主氦风机的驱动下，一回路的氦气循环将堆芯裂变反应放出的能量传递给蒸汽发生器，实现能量的转化和转移。HTR⁃10一回路氦气流量的准确测量是获取反应堆运行状态、保证反应堆安全高效运行的基础。

为保证整个反应堆系统的完整性和紧凑性，HTR⁃10的反应堆与蒸汽发生器采用“肩并肩”布置方案［4］。在蒸汽发生器中，高温氦气经过换热器腔室被冷却后通过一组90°弯头结构进入主氦风机入口联箱，经过主氦风机再由热气导管外管流回堆芯。这一组90°弯头结构作为HTR⁃10氦气流量测量的传感元件对弯头内、外弧面的压差信后进行采集，通过压差与流量的对应关系来计算准确的氦气流量值［5］。由于没有向系统中引入附加节流阻力件，在一定程度上使得承压边界的应力集中效应减小、附加局部阻力损失减小，提高了HTR⁃10的安全性和经济性。想要对氦气流量进行准确测量，保证90°弯头传感器的可靠性和复现性［6］，必须对90°弯头内的流场特性进行深入细致的分析。本文针对不同弯径比条件下弯头内的流场特点进行比较分析，探讨不同弯径比条件下弯头内、外弧面的压力分布特征、弯头截面上压力分布以及弯头结构对上下游流场的影响，并对压差信号采集的可信性进行分析。

1 实验装置及方法

实验以水为工质，在自建的90°弯头实验平台上进行，实验装置简图如图1所示。整个实验回路的水循环由变频泵驱动，水流量控制通过调节变频泵的电源频率来实现。为提高实验测量的准确性，应用称重法对实验过程中流过实验段的工质质量流量进行精确校准，所采用的称重传感器的精度为0.5‰。实验回路的核心部件是一个水平安装的90°弯头，由高精度数控车床精确加工并经过内表面抛光处理，弯头内径Din＝96 mm，平均弯曲半径R＝144 mm，弯径比β＝R／Din＝1.5。为保证流体进入弯头前能够达到充分发展状态，降低上游支管、阀门等结构对弯头内流场的影响，在弯头进口处加装了与弯头等内径、长度为Lin＝1 m≈10Din的长直管段。同理，为了保证流体经过实验段以后能够恢复到充分发展状态，在弯头的出口处加装了与弯头等内径、长度为Lout＝1 m≈10Din的长直管段。弯头及其进出口附近区域直管段的内、外弧面按照一定间隔分别加工15个取压孔来对内部流场的压力分布情况进行测量，其结构如图2所示。取压孔直径为2.0 mm，采用EJA110A⁃DLS5A⁃22NC型差压变送器对各个取压口的压力信号进行实时采集，差压变送器精度为1.0‰，并采用高精度实时温压补偿方案对结果进行修正处理。

图1 压力分布测量试验装置简图Fig.1 Pressure distribution measurement testing equipment

图2 实验段结构简图及测压孔位置分布Fig.2 Structural diagram of testing section with the distribution of pressure taps

通过试验方法对不同流速下弯头内、外弧面的压力分布信息进行分析研究，实验过程中直接测量的参数为实验段的压力、工质温度、压差传感器取压信号、称重传感器称重信号。实验在常温常压下进行，考虑试验台架的落差以及实验过程中水温的变化，对压力和温度进行实时测量。实验共运行7个工况，经过温压补偿后换算出的管内平均流速分别为0.57，1.08，1.63，2.18，2.68，3.22，3.58 m／s。实验的主要目的是对90°弯头内流体的压力分布特性进行初步研究，并为后续进行的CFD数值模拟的准确性和可靠性提供实验支持。

2 CFD数值模拟

2.1 网格独立性验证

严格按照实验回路中90°弯头的几何尺寸建立一个3D模型，用于CFD方法网格独立性验证。由于在数值模拟过程中，弯头入口上游没有支管、阀门等结构，为减小计算量，这里上、下游直管段取为8Din。结果证明，8Din长度的前、后直管段能够保证流体在弯头前后达到充分发展的状态。

利用ICEM CFD软件对建立好的模型进行网格划分，网格单元全部为六面体结构。共建立了4套精细程度不同的网格来验证网格独立性。考虑到弯头内部流场复杂，压力场和速度场变化剧烈，采用自适应网格方法对弯头内部压力梯度比较大的计算域进行了细化处理。最终结果如表1所示。此结果表明细网格的计算结果与超细网格的结果在误差允许范围内已无差别，为减小计算量，采用细网格的网格划分方法已经能够得到足够精确地结果。

表1 网格独立性验证结果Table 1 Validation results of grid independence

2.2 CFD细节描述

数值模拟共分2个部分。第1部分为CFD模型的验证。数值模拟的输入参数与实验过程中的相应参数保持一致，由于工质为水且实验在常温常压下进行，涉及的流速较低，故假设整个过程是定常、绝热、不可压缩的。采用广为接受的k⁃ω模型针对各个工况进行数值模拟，边界条件由实验值提供。数值模拟的第2部分则为不同弯径比条件下弯头内氦气流动特性的数值模拟。共建立3个90°弯头的3D模型，几何参数如表2所示。

表2 3D模型主要几何参数Table 2 Main parameters of the 3D model geometry

工质为HTR⁃10蒸汽发生器内高温高压的氦气，工作温度T＝250℃，工作压力P＝7.0 MPa。网格处理方法与网格独立性验证中的细网格相同。

3 结果分析

3.1 实验结果与CFD结果对比

在90°弯头内管壁的约束作用下，流体沿管壁作强迫曲线运动的同时受到强烈的离心作用而被甩向弯管外弧面，对弯管外弧面产生强烈的冲刷，形成正向的挤压作用［7］，引起外弧面邻近区域压力升高。相应的，内弧面邻近区域的流体由于被甩向外弧面而在相应区域产生“抽吸”作用，使得内弧面邻近区域压力降低。因此，弯头横断面上的压力呈现不均匀分布，沿弯头弯曲半径向外，弯头内流体区域的压力逐渐升高，形成稳定的压力梯度。图3给出了不同工况下弯头、外弧面压力分布实验结果和CFD计算结果。

对比结果表明，在误差允许范围内，CFD数值模拟结果的数据变化趋势与实验结果一致。沿流动方向，弯头外弧面上的压力分布在弯头入口前的长直管段保持平稳变化，在距入口0.5Din位置的附近区域，压力开始出现明显的升高，直至弯曲角度α＝45°位置附近区域，压力升高至最大，继而开始降低。模拟结果表明，直至距弯头出口2Din的位置附近，外弧面的压力分布迅速降低，此位置以后，压力恢复至平稳变化。

图3 90°弯头内、外弧面上的压力分布Fig.3 Pressure distribution of extrados and intrados of the 90°elbow

由于弯头的阻力作用，回复后的压力值要小于弯头入口前的压力值。相应地，内弧面压力在弯头入口前1Din位置附近开始逐渐降低，比外弧面的变化位置提前，直至弯曲角度α＝30°附近区域，压力降低到最小，继而开始升高。模拟结果表明，由于流体冲击外弧面产生反射效应［8］（流体冲击外弧面发生反弹而流向下游的内弧面）的影响，在弯头出口附近区域，内弧面的压力在升高的过程中会超过外弧面压力值，然后经过充分发展，再逐渐恢复至相等水平。

外弧面上压力分布实验值与CFD结果的符合程度优于内弧面，这是由于内弧面的线长度较小，分布同样数量取压点时，各取压点之间的距离小，使得取压点之间相互影响，同时角度定位精度较差，降低了测量结果的准确性。而弯头区域（弯曲角度α＝10°～80°）的实验值与CFD结果的符合程度优于弯头进、出口区域。在弯头进、出口附近区域，一些测点的计算结果比实验结果高出25%左右，这是因为弯头进、出口处配有法兰与前、后长直管段相连，制造误差使得连接处的管径存在差别，导致过渡不平滑，影响了该区域的压力分布。

就整体而言，实验与模拟结果对比表明，CFD数值模拟能够对90°弯头内的流场进行准确的模拟，利用CFD方法研究弯径比对90°弯头内流场的影响是切实可行的。

3.2 不同弯径比弯管CFD结果分析

应用上述内容所验证过的CFD方法对不同弯径比条件下弯头内的氦气流动进行了数值模拟。模拟工况对应HTR⁃10稳态工况，氦气温度T＝250℃，压力P＝7.0 MPa，由此计算出氦气密度ρ＝6.335 kg／m3，动力粘度μ＝2.938×10-5Pa· s［9］。通过管路的质量流量为G＝6.86 kg／s，由于3种模型采用的管径相同，管内的平均流速均为V＝25.4 m／s。

3.2.1 内、外弧面上压力分布结果

不同弯径比条件下，内外弧面上的压力分布趋势一致，与前述实验结果和模拟结果相符合。从图中可以发现，在入口边界条件相同的前提下，管道内的平均速度是相等的，但是由于流体在不同弯径比弯头内流动时，流动速度和方向变化的剧烈程度不同，使得内外弧面所产生的压力差也不同。弯径比越小，内外弧面上的压力变化越剧烈（见图4（a）），所产生的压力差也越大。

这是因为弯径比较小时（β＝1.0），弯头转弯半径小，流体在弯头内运动时速度方向改变地更加剧烈，受到的离心作用增强，对外弧面的冲击作用增强，而对内弧面附近区域的“抽吸”作用也相应增强，最终导致外弧面压力更高，而内弧面压力更低（相对于β＝1.5和β＝2.0的结果）。从图4中还可发现，当弯径比较小时，β＝1.0和β＝1.5的弯头出口附近区域内弧面压力恢复过程有明显波动，而β＝2.0的弯头则未出现波动，恢复过程很平滑。这是由于小弯径比时，管内流体在冲击外弧面时冲击角度较大，反射效应明显，使得内弧面上压力出现明显波动。当弯径比比较大时，由于冲击角度较小，反射效应不明显，被弯头内其他较为强烈的复杂流动“吞噬”而无法显现。

图4 90°弯头内、外弧面上的压力和压差分布Fig.4 Pressure and pressure difference distribution of extrados and intrados of the 90°elbow

3.2.2 弯头横断面对称轴上压力分布结果

在弯头横断面对称轴上，压力分布与前述的分析结果一致。沿弯曲半径指向外弧面方向，对于α＝0°和α＝45°的横断面对称轴，压力由内弧面上的最小值逐渐升高至外弧面上的最大值。弯径比越小，内、外弧面压力差越大，压力变化曲线也越陡，如图5所示。对于α＝90°的横断面对称轴，在内弧面附近区域，压力变化趋势与弯径比有关。弯径比β＝1.0时，变化趋势与1、2相同。弯径比β＝1.5时，在内弧面附近区域的一段距离内，压力值几乎保持不变，然后逐渐增大至外弧面最大值。弯径比β＝2.0时，在内弧面附近区域的一段距离内，压力先是从内弧面压力值（非最小值）降低至最小值，然后逐渐升高至外弧面的最大值。出现这一差异的原因是在弯头出口（α＝90°）附近区域，内弧面会发生一定程度的流动分离［10］，使得该区域的压力分布变得更为复杂。这与流体的流速和弯头的弯径比有关。

图5 不同弯径比条件下90°弯头横断面对称轴上压力分布Fig.5 Pressure distribution of cross⁃sectional axis of 90° elbow with a series of bend diameter ratio

4 结论

1）本文将实验研究与数值模拟相结合，对90°弯头内部流场进行了对比分析，实验结果与数值模拟结果吻合很好，误差在合理范围内。

2）利用经过验证的CFD方法研究了不同弯径比条件下弯头内流场的压力分布规律，当管道直径一定时，弯头内、外弧面的压力呈现明显的不均匀分布现象，弯径比越小，内、外弧面的压差越大，压力分布的变化速率也越快。

3）对于相同弯曲角度处横断面对称轴上的压力分布，弯径比越小，压力分布的变化速率越大，内弧面附近区域的压力变化规律与弯径比有关。

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Influence of the ratio of curvature and diameter on the flow characteristics of helium in the 90°elbow of HTR⁃10

FENG Beibei，WANG Shiming，REN Cheng，YANG Xingtuan，JIANG Shengyao

（Key Laboratory of Advanced Reactor Engineering and Safety of Ministry of Education，Institute of Nuclear and New Energy Technolo⁃gy，Tsinghua University，Beijing 100084，China）

In the high temperature reactor HTR⁃10，the 90°elbow is directly employed in measuring the helium flow rate.It is very necessary to make an in⁃depth and detailed analysis of this measurement method in order to guaran⁃tee the security and economical efficiency of the reactor.A series of experiments and numerical simulation were made to study the helium flow characteristics in the 90°elbow of HTR⁃10 under various ratios of curvature and di⁃ameter.The dependability of the CFD computation model was validated by the test results of the pressure distribu⁃tion of intrados and extrados.The flow characteristics of helium in the 90°elbow under various ratios of curvature and diameter were calculated as a working efficiency aid in the HTR steam generator.By comparing the experiment data and the CFD simulation results，with the same pipe diameter，the pressure distribution on the intrados and ex⁃trados of the elbow was asymmetrical.The smaller the ratio，the larger the pressure difference between the intrados and extrados，and also the greater the variation of the pressure distribution.Given a cross section with the same curve angle，the smaller the ratio，the greater the variation of the pressure distribution.

HTR⁃10；90°elbow；ratio of curvature and diameter；numerical simulation；helium；flow characteristics

10.11990／jheu.201412060

TL334

：A

：1006⁃7043（2015）11⁃1438⁃05

http：／／www.cnki.net／kcms／detail／23.1390.u.20150921.1014.002.html

2014⁃12⁃21.网络出版日期：2015⁃09⁃21.

国家自然科学基金资助项目（31400849）；高等学校博士学科点专项科研基金项目（20130002120015）.

封贝贝（1985⁃），男，助理研究员，博士.

封贝贝，E⁃mail：fengbeibei＠tsinghua.edu.cn.