同位素生产专用设备中气流输运部件内、外流场特性研究

赵 君，马元宏，王宏伟

(1.核工业理化工程研究院，天津 300180；2.中国航天空气动力技术研究院，北京 100074)

同位素已经广泛应用于地质、医疗、能源等相关领域研究。为此需要研究用于同位素生产的专用设备，提高其物理性能，满足生产需要。在特种工业用同位素生产专用设备中，为了进行同位素气体处理，设置了气流输运管状部件，负责输运该设备中含有的同位素气体，气流输运部件与气流产生激波等相互作用。专用设备运行时其高速气流马赫数在3～6以上。由于特殊的需要,应保证高速气体以较小的能耗进入气流输运管状部件,同时降低绕流高速气体的能量损耗,为此需要降低高马赫数气流与气流输运部件相互作用产生的内外摩擦和激波损耗。在专用设备设计、优化过程中，一直比较重视其内部气流输运部件能耗的优化，致力于降低其能耗，以提高专用设备的经济性和稳定性。

为降低专用设备中气流输运部件的能耗，初步考虑采用减小其头部直径，将其设计为锥度为1∶3到1∶5的变直径圆管形状(各部分直径均小于5～10 mm)的方法，同时考虑通过改变气流输运部件头部激波形式来进一步减小气流输运部件能耗。

文献[1-2]中详细论述了不同激波形态的特征、产生正激波和斜激波的条件和相关激波前后参数关系计算方法。根据文献[1-2]中对正激波和斜激波特点和关系的论述，初步认为如果对气流输运部件进行头部切角处理，其头部激波可以假设为楔形体前缘激波，与头部不进行切角处理时相比，激波形式会发生改变，即激波角减小，由正激波转化为接近斜激波形式，从而可能会减小气流输运部件能耗，使得气流输运部件满足使用要求。

要验证这一初步分析是否合理，确定设计为变直径管形状并且头部进行切角处理后的气流输运部件是否满足使用要求，需要对专用设备中气流输运部件内部和外部流场开展详细研究，从而给定符合实际的流场条件对气流输运部件的能耗进行计算，根据计算结果对气流输运部件性能进行判断。

文献[3]中考虑湍流流动的影响计算了能耗的变化情况，但计算时速度分布初始条件的给定，还需要通过理论计算和实验测定进行调整，使其更加符合实际情况。

文献[4-5]中对压力修正法进行了详细的介绍，根据其中分析，使用压力修正法进行计算可以使得初始压力梯度的给定影响到邻近的计算区域，计算时加入脉动量，可以体现时间脉动量，即湍流性质的影响。但初始条件的给定对计算结果影响较大。

文献[6-8]中对粒子图像测速(PIV)测试系统的组成、性能、数据处理方法等进行了详细介绍，观测到了较为理想的流场形态。但是对于头部形状特殊、且气流马赫数达到3～6的圆管内、外流动并未进行详细测定。

文献[9-15]中对流动脉动量的变化规律开展了部分实验测定和计算分析，但并没有针对头部进行切角处理的圆管对原始流场脉动量的影响进行详细研究。

以上述研究为基础，综合考虑气流输运部件(变直径管)直径小、气流马赫数高、存在变径部分等特殊性，确定了其内部、外部流场特性研究方法，即采用数值模拟和风洞试验相结合的方法，采用压力修正法结合部分管道流动测量经验给定初始条件对内部流场进行数值模拟分析计算，对外部流场进行流动显示和PIV测量，得到了其流场特性参数，据此给定了能耗计算所需初始流场条件，根据计算结果对设计的气流输运部件能否满足能耗要求进行了判断。

1 气流输运部件内部流场计算

由于气流输运部件直径小于10 mm，且材质为金属材料，不透明，内部流场很难采用PIV等方法测得，考虑通过理论计算获得对变直径管内部速度分布图像和压力分布云图，判断是否存在激波波系，以及涡结构，了解其传播情况。

使用压力修正方法进行数值计算，可以体现初始压力场的影响，如果给定的初始压力条件合理，计算结果就会更加符合实际。

在进行能耗计算时，摩擦能耗计算与气流速度分布有关。即

Wn=Mnu

(1)

其中Wn为摩擦能耗；u为气流速度；Mn为摩擦阻力矩；s为摩擦力作用区域；r为计算单元摩擦力作用位置，Fn为计算单元所受摩擦力。

激波能耗计算时需要提供其激波角，与激波角即激波具体形态有关：

Wp=Mpu

Mp=(p2-p1)Arp

(2)

其中[3]Wp为激波能耗；u为气流速度；Mp为激波阻力矩；p2和p1分别为激波前后气流压力，可根据激波关系式计算，与激波角有关；A为激波作用面积；rp为激波作用位置。

1.1 计算方法

采用压力修正方法需要首先预估一个压力场，同时给出预估速度场，由估计的压力场求解离散的动量方程，得到速度分量。这一步骤根据文献[9-15]所述测量所得湍流流动规律以及实际专用设备中实验测得部分位置压力参数给定预估值。具体可以参考文献[4-5]所述。

1.2 计算条件

设置气流输运部件入口平均速度为530 m/s和来流压力平均约为31 920 Pa，气流温度450 K，气流输运部件壁面设为等温壁面。选择k-ε湍流模型进行计算。计算时，通过产生符合正态分布的随机数，结合文献[9-15]中相关湍流实验测得经验值，给定初始压力和速度脉动量。

图1 气流输运部件内部网格划分

1.3 计算结果

计算结果如图2和图3所示。

图2 气流输运部件内部速度分布计算结果

图3 气流输运部件内部压力分布计算结果

从计算结果上看，在变径区域，气流速度产生较大变化，图2中绘制出了气流流向(x方向)速度沿气流输运部件轴向分布曲线，相对轴向位置为1处为气流输运部件头部位置，可以看出在变径部分速度变化大于40%。从图2和图3中可以看出,在部件头部前缘和变径区产生一系列速度和压力变化，伴随气流与壁面的作用，产生扰动，此扰动影响距离达到约10 mm。在变径管后部约10 mm后，气流输运部件中的速度和压力已不受变径区域产生的干扰，速度值、压力值逐渐趋于稳定，不再有大的改变，仅在管壁面存在较薄的边界层。这种变化直接影响气流输运部件内部的摩擦能耗，代入计算所得速度分布计算气流输运部件(变直径管)内壁摩擦能耗较假设变直径管内部速度分布为线性分布时增加约1%，但综合部件外部情况，整体能耗较不设计变径区域即为普通圆管时会减小约30%～50%。

2 气流输运部件外部流场试验研究

2.1 实验装置和条件

为进一步进行气流输运部件外部流场特性研究和考证，了解不同气流输运部件外部流场情况，判断是否存在可能引起能耗改变的激波形态和涡结构变化，开展了气流输运部件外部流场的风洞试验研究。

试验在中国航天空气动力技术研究院的FD-03高超声速风洞中进行，风洞试验马赫数为6，单位雷诺数为2.0×107m，喷管出口尺寸为170 mm×170 mm。设备照片见图4。

图4 FD-03高超声速风洞

试验过程中，为将气流输运部件稳定安装在风洞中，不发生震动等影响实验结果的情况，设计了专用的气流输运部件(变直径管)支架，实验模型示于图5。

图5 头部无切角、 30°切角气流输运部件模型图

为了能够清晰观测到气流输运部件头部激波形态，分布使用瞬态纹影试验技术和PIV试验技术对头部不带切角和头部带有30°切角的变直经管附近激波情况进行了测量。

基于双反射镜纹影仪进行改进设计瞬态纹影系统，由脉冲光源、反射镜、刀口和相机组成，能够捕捉小的密度梯度变化。由于气流输运部件(变直径管)附近流场存在小的涡结构，存在较强的非稳定性特征，对测量系统光路准直性要求较高，实验中调整了刀口的方向，保证了具有一定非稳定性的特殊激波结构、涡结构的捕捉。具体光路图示于图6。

图6 瞬态纹影测量系统示意图

试验过程中，利用FD-03风洞已有的纹影光路系统，采用脉冲激光器做为纹影系统的光源，结合高速相机实现对气流输运部件附近流场结构的流动显示。试验过程中纹影采集频率为20Hz，每次试验采集图像为1 000幅。

实验中使用的粒子图像测速即PIV系统，如图7所示，包括激光照明系统(由图7中激光器、片光调制装置、导光臂组成)、图像采集系统(主要指图7中相机、控制器)和粒子播撒系统(由图7中粒子发生器、粒子播撒管道组成)。根据气流输运部件尺寸和风洞流速，调整了相机跨帧间距，采集的数据进行互相关计算时选择使用变形窗口，保证能够最大限度捕捉到近壁区速度分布及较小的涡结构。

图7 粒子图像测量系统示意图

其中的激光照明系统主要包括双脉冲激光器、片光调制装置、导光臂等装置，通过激光器产生一定强度的激光脉冲，经片光调节装置形成片状光源照明流场的一个二维截面。

粒子播撒系统是测试系统当中至关重要的一个方面，因为测量区域的速度是通过拍摄的示踪粒子图片直接得到。因此对示踪粒子有两个基本要求，一是要具备良好的跟随性，二要保证示踪粒子化学性质稳定，无毒害作用。实验时通过粒子播撒器将示踪粒子注入到风洞中，经过充分的掺混使示踪粒子均匀分布于试验段内，以拍摄出较好的粒子图像。

图像采集系统主要为高速电荷耦合器件相机跨帧(CCD相机)，用以拍摄记录流场图像，跨帧CCD相机感光阵列上的每一个象素均由相邻的感光区域和屏蔽的非感光区域两部分组成，非感光区域做为缓冲区在相机快门开启后，将感光区域曝光产生的信号瞬时存储起来，使感光区域能够迅速进行下一帧图像的曝光。由此跨帧相机不但实现了两次光脉冲曝光分别记录在相继的两帧图像上，并且保证了两次光脉冲的时间延时(Δt)可以调整，目前时间延时最小可达到200 ns，满足高超声速流场测量需要。

2.2 实验结果分析

从实验结果来看，头部切角为0°和30°气流输运部件的流场中都存在明显的激波和激波诱导的大尺度分离区结构，气流输运部件表面的分离区中还存在间歇性出现的大尺度涡结构。

PIV测定实验中获得了气流输运部件附近速度分布即速度分布云图。由头部为0°切角和30°切角气流输运部件的瞬态纹影图像和PIV速度云图(图8和图9)可以看出，头部带0°切角和30°切角气流输运部件头部激波形态基本一致，激波为典型的弓形曲线激波。这一发现与前期研究中的假设不一致，可见以前在气流输运部件能耗计算中简化气流输运部件头部激波为一道等效楔形体产生的斜激波不符合实际气流输运部件与原流场相互作用规律。

图8 头部30°切角管PIV测得速度云图和瞬态纹影结果

图9 0°切角气流输运部件PIV测得速度云图和瞬态纹影结果

两种气流输运部件头部后方都存在着一定的边界层大尺度分离区结构，对比图8和图9可知，当头部切角为30°时，其边界层更贴近壁面，分离区明显变小，但是也依然存在一定的分离现象。

同时，从图8和图9中也可以直接测量出气流的偏转角，再根据斜激波关系式:

(5)

其中：α为气流偏转角；β为激波角；Ma1为激波前气流马赫数；γ为气体绝热指数。

由此可以计算出当气流输运部件头部切角为0°时，激波中段位置处的激波角为14.08°；当气流输运部件切角为30°时，激波中段位置处的激波角为12.99°。

图10所示为0°和30°切角气流输运部件距离气流输运部件头部4 mm处PIV测得速度分布，即流向速度沿法向分布图。从图10中可以看出，在气流输运部件近壁面区域，气流速度有所下降，整体分布曲线形式接近对数律曲线分布，说明在气流输运部件附近气流存在一定的湍流流动状态。进行切角处理后(30°)，气流输运部件近壁面区域，气流速度下降更为明显，气流速度较不进行切角处理的气流输运部件降低约5%。代入这一不同速度分布可以计算出切角处理和不进行切角处理两种气流输运部件能耗的变化情况。

图10 0°和30°切角气流输运部件PIV测得速度分布图

斜激波的强度正比于其激波角的大小，因此当气流输运部件头部有切角时，其头部激波强度弱于无切角时，但并不像前期推测的那样激波角发生极大的改变。采用文献[3]中类似方法对激波角差别为约1～2°时，气流输运部件能耗进行计算可以发现能耗差别不足1 W，激波形态的差别不是造成气流输运部件耗改变的主要原因。这一点也与前期推测不一致。

在二维条件下，Q值与涡量和应变率张量有关，Q值为正代表存在着涡结构。从两种气流输运部件实验中测得的速度分布计算出的Q值云图(图11和图12)可以看出，在气流输运部件头部产生的激波后侧，存在较大的涡结构区域，并存在着一定的间歇性，在向下游移动的过程中，涡结构逐步变弱。涡结构与斜激波中段位置相距约2 mm，由产生明显涡结构位置判断，气流输运部件头部附近出现的间歇性涡结构可能是由气流输运部件头部激波诱导产生的，但还需要后期通过进一步的风洞实验进行验证。

图11 0°切角气流输运部件Q值分布图

实验结果显示，头部带30°切角的气流输运部件的涡强度弱于头部无切角气流输运部件，且头部带30°切角的气流输运部件其流场的涡结构向流场下游延续的区域和长度均短于头部为0°切角气流输运部件。

计算气流输运部件头部上方5 mm位置处的涡量值，X轴方向的涡量值对比示于图13，其中横坐标为沿流向即X轴方向位置，纵坐标为对应位置涡量。从中可以看出，头部有切角的气流输运部件的涡量小于头部无切角的，涡量平均减小了10%。涡量的变化明显，说明头部切角的存在直接影响着气流输运部件与原流场作用强度。

代入存在不同涡结构(头部形状不同：存在切角和不存在切角两种情况)时速度分布，两种头部形状气流输运部件近壁面区域，气流速度均有所下降，整体分布曲线形式均接近对数律曲线分布，存在切角时近壁面处速度较不存在切角时平均下降3%～5%。计算气流输运部件能耗会发现，头部带有切角气流输运部件能耗减小15%～20%左右。判断涡结构的存在及其形态是影响气流输运部件能耗的主要原因，头部进行切角处理后，气流输运部件的能耗能够满足应用要求。气流输运部件的能耗与其附近流场直接影响着同位素生产专用设备运行参数(主要指内部同位素气体流量和压力)的可调节范围,超出一定范围同位素生产专用设备会出现运行速度下降等问题，影响其使用，而同位素生产专用设备的物理性能会随着这些运行参数发生改变,各参数保持在一定范围内，可以使得同位素生产专用设备的物理性能达到预期设计指标。气流输运部件头部进行切角处理后，由于如前所述能耗的降低，在目前设计型号同位素生产设备运行中可以调节同位素气体压力至未进行切角处理时的2～3倍，该同位素生产设备仍然能够保持稳定运行，不会出现运行速度降低的情况，而在一定范围内对同位素气流压力值进行提高优化后(约5 000～20 000 Pa)，同位素生产设备整体能耗减小约30%～50%。

3 结论

(1) 由于设计了锥度为1∶3到1∶5的变径部分，气流输运部件在其变径区域气流速度发生较大变化，同时与壁面发生作用，产生扰动，此扰动影响距离达到约10 mm。代入计算所得速度分布对气流输运部件(变直径管)的内壁摩擦能耗进行计算，发现能耗较假设变直径部分内部速度分布为线性分布时增加约1%，但综合部件外部情况，整体能耗较不设计变径区域即为普通圆管时会减小约30%～50%。

(2) 气流输运部件头部激波为典型的弓形曲线激波，进行切角处理并没有明显改变气流输运部件头部激波性质。

(3) 气流输运部件头部壁面附近存在明显的边界层和分离区结构。涡结构的存在及其形态是影响气流输运部件能耗的主要原因，头部进行切角30°处理后，气流输运部件的能耗减小15%～20%，可以在专用设备中使用。气流输运部件头部进行切角处理后，由于能耗的降低，在目前设计型号同位素生产设备运行中可以调节同位素气体压力至未进行切角处理时的2～3倍，该同位素生产设备仍然能够保持稳定运行，不会出现运行速度降低的情况，而在一定范围内对同位素气流压力值进行提高优化后(约5 000～20 000 Pa)，同位素生产设备生产性能可以提高30%～50%。