流动调整器在设冷水流量测量改进中的应用

曹德嘉

摘要： 本文通过CFD软件对设冷水管道现有布置和分别安装Etoile型、管束型和K-Lab型流量调整器后母管孔板流量计截面处的流场进行了分析。模拟计算结果显示目前的管道布置无法使测量孔板截面处的流场完全符合漩涡角的要求。3种流动调整器对流场均能起一定的改善作用。鉴于K-Lab型的结构比管束型更为紧凑，因此其更适用于现有管道布置的改进。

Abstract： The component cooling water flow without or with Etoile， Bundle and K-Lab flow conditioner respectively in section plane where the flow measurement orifice plate is installed are analyzed by CFD in this paper. The results show that the discrepancy between current pipe layout and requirements of standard in swirl angle. The three types flow conditioners can all be used to ameliorate flow condition. Considering that the K-Lab type has a more compact structure， it's more suitable for current pipe layout than Bundle pipe type.

关键词： 流动调整器；漩涡角；流速分布

Key words： flow conditioner；swirl angle；velocity profile

中图分类号：U284.12+2 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）34-0174-02

0 引言

孔板流量计因结构简单和测量准确的优点广泛地应用于核电站各类系统中的流量测量。然而该类流量计的使用条件较为严格，一般要求所测流场为充分发展流动。漩涡、横向流动和非对称流动均会增加测量误差。通过增加孔板前后直管段的长度可以改善流场。但在工程应用中由于空间的限制，大口径管道通常很难达到充分发展流动的直管段长度要求。因此相关规范提出在实际应用中根据以下两个标准判断流场是否满足孔板测量的要求：①流场内各点漩涡角小于2°；②管道截面各点速度与截面最大速度的比值与充分发展流动相比，误差在5%以内[1]。为了满足上述条件同时减少直管段长度，工程上使用流动调整器以改善流场，在减少漩涡角的同时使其速度分布尽可能接近充分发展流动。常用的流动调整器根据结构形式的不同分为Etoile型、管束型和K-Lab型。本文以设冷水母管流量测量为例通过分析现有布置和分别增设上述3类流动调整器后流量测量孔板处的流场，对流动调整器在设冷水母管流量測量改进中的应用进行探讨。

1 几何模型与边界条件

1.1 几何模型

如图1所示，设冷水母管为标准24”管道，内径D约为590mm；设冷水正常工况下流量为2434.55m3/h。现有布置中测量孔板上游设有1个弯曲半径为1D的竖直弯头，弯头出口至孔板距离约为10D；孔板下游设有1个弯曲半径为1D的水平弯头，弯头入口至孔板距离约为5D。

假定3种流动调整器均安装于上游弯管出口处并采用标准结构尺寸。其中Etoile型调整器长度为2D（1180mm）；管束型调整器长度为2D（1180mm）；K-Lab调整器厚度为88mm[1]。流动调整器出口与下游流量孔板间的距离均大于4D以避免调整器本身对测量流场的扰动[2]。

1.2 边界条件

模型中介质为水，属于不可压流体。由于为带有弯曲壁面的管道，因此选用RNG k-ε模型[3]。管道入口流速根据流量和管道内径为2.47m/s；湍流定义采用湍流强度和水力半径方法，湍流强度为2.7%，水力半径为圆管道内径590mm；管道出口类型为Outflow；采用SIMPLEC算法耦合求解压力和速度的耦合；压力耦合采用Standard，动量、湍流动能和湍流扩散采用二阶迎风格式。

2 计算结果与分析

漩涡角是管道的横截面上某点的流速与管道轴线的夹角[4]。根据模拟计算结果4种工况下流量测量孔板处截面中各点的漩涡角分布如图2、3、4和5所示。

由图2可知，由于流体本身具有惯性导致弯头下游流体的流动方向并非立刻改变。流体在原有的速度方向上依然保持了一定的速度分量并随距离衰减，因此导致存在一定的偏离管道轴线的漩涡角。在现有布置工况下流量测量孔板截面处除紧邻管壁的边界层外漩涡角呈现1～10°范围内的均匀分布，小部分区域达到12～13°，远大于规范中小于2°的要求，可能造成一定的测量误差。

如图3、4和5所示，在弯管后安装流动调整器显著减小了漩涡角。Etolie型调整器使截面处的漩涡角降低至3.5°左右。管束型和K-Lab型则效果更为明显，除紧邻管壁处的边界层外截面各点的漩涡角均小于2°且分布均匀。主要原因可能是调整器对管道内的流道进行了切割，其产生的通径较小的流道在提高管道轴向速度的同时抑制了其他方向的流动从而使漩涡角明显降低。由此可见流动调整器能显著降低流量测量孔板截面处的漩涡角，其中管束型和K-Lab型效果更佳，能完全满足规范中的要求。

3 结论

根据上述的计算和分析可以得到如下结论：

①现有管道布置下设冷水母管流量测量孔板处漩涡角与规范要求存在偏差，可能造成一定的测量误差。②Etoile型调整器能明显降低漩涡角，但加剧了与完全发展流动流速分布的偏离，仅能起流场整直的作用。③管束型和K-Lab型调整器均能降低漩涡角。鉴于K-Lab型结构尺寸远小于管束型，K-Lab型调整器应为现有设冷水母管流量测量改进的首选。

参考文献：

[1]GB/T 2624.1：2006，用安装在圆形截面管道中的差压装置测量满管流体流量 第1部分：一般原理和要求[S].

[2]Wei Xiong， Kathrin Kalkuhler， Wolfgang Merzkirch. Velocity and turbulence measurements downstream of flow conditioners [J]. Flow Measurement and Instrumentation， 2003，14：249-206.

[3]于勇.Fluent入门与进阶教程[M].北京：北京理工大学出版社，2008.

[4]JJF 1004：1986，流量计量名词术语及定义[S].endprint