多级节流孔板的设计分析与试验研究

王艳芝，刘 妍，高 畅

（中核武汉核电运行技术股份有限公司，湖北武汉 430223）

前言

多级孔板节流件应用在AP1000 核电厂化学与容积控制系统（CVS）的下泄管道中，其作用是在正常工况下将压力降到与放射性废液系统(WLS)相匹配，从而达到降压目的。从CVS 到WLS 的压降值高达十几兆帕以上，且节流孔板长度非常有限（小于680 mm）。国内工程技术人员对节流孔板进行了大量的研究[1,2,3]，但对于这种在短距离内实现大压降的节流孔板设计和试验鲜见报道，因此，这方面的研究对多级节流孔板研制的国产化和工程应用具有重要的意义。

多级节流孔板性能受孔板结构、流体状态等多种因素影响，只有设计合理的孔板才能降低管道运行产生的振动和噪音，减少设备的损坏。否则，孔板内可能产生气蚀从而导致孔板损坏，严重时甚至影响管道或设备的安全运行。为此，利用流体力学软件对节流件结构进行了设计和分析，并搭建试验回路对产品性能进行了试验验证。

1 节流孔板的设计

多级节流孔板要实现短距离大压降并不容易。一般来说，多级孔板的级数越多越易实现大压降。但CVS 节流孔板受长度限制，使得级数及多级孔板级间距离不能长，这就易使级与级之间互相干扰，形成串流，从而达不到设计的压降要求。为解决上述矛盾，合理选择节流孔板级数和开孔结构尺寸显得尤为重要。

借助经验公式可以初步设计孔板开孔直径，给定孔板结构，然后进行Fluent计算。

借助流体力学上关于截面突扩、突缩的局部阻力计算方法如下：

(1)截面突然扩大

截面突然扩大处局部阻力系数：

截面突然扩大处局部阻力：

式中：V1——流体流过孔板后的管道平均流速。

(2)截面突然缩小

截面突然缩小处局部阻力系数：

截面突然缩小处局部阻力：

式中：V2——流体流经孔板内部时的孔板平均流速。

则当流体流过孔板，孔板处的局部阻力为

在设计节流孔板时，首先依据几何级数递减法确定每级的压降，并借助经典的局部阻力计算公式，确定孔板开孔直径的初值，具体设计流程如图1所示。

图1 开孔直径设计流程图

图1中：

ΔPdi——第i级孔板阻力设计值；

ΔPci——第i级孔板阻力经验公式计算值；

ΔPfi——第i级孔板阻力Fluent计算值。

按照上述方法，对CVS 节流孔板进行了多种结构设计，并利用CFD 分析软件Fluent 进行了分析计算，最终确定采用9级节流孔板，每级孔板通过凹凸面配合。CVS节流孔板外形结构如图2所示。

图2 节流件结构图

2 计算分析

采用Fluent对该节流件结构的额定工况进行了模拟计算，选取节流件的1/4 流道为计算区域，采用软件划分计算网格。为了寻求合理的网格规模，在正式计算前进行了网格无关性考核。

计算模型采用入口压力和出口压力为边界，湍流模型为2 阶标准k-ε 两方程模型[4]。动量方程、湍流动能方程、湍流动能耗散率方程均采用二阶迎风格式离散。通过计算得出静压分布和速度分布，图3 为计算出的孔板静压分布图。通过对静压分布进行分析，表明流束紧缩断面高速流动引起的局部压力不低于液体温度对应的饱和压力，因此在孔板内流体不会发生气蚀现象。从图3 中可以看出：当流体在节流件入口时静压最大；每经过一级单孔板后，静压降低，且在前4 级压降大，最后一级压降最小。

图3 孔板静压分布图

节流件内流体的速度分布如图4所示。

图4 孔板速度分布图

从图4中可以看出，流体在孔板紧缩断面处，速度达到最大，随后速度逐渐降低后进入到下一级，且各级之间不存在串流现象，表明该结构设计较为合理。

3 试验研究

3.1 试验回路

在对节流件进行设计计算后，必须对节流件进行试验验证，以确保设计的结构能满足AP1000化容系统功能要求。试验回路如图5所示。水箱中的纯净水经过高压泵升压后，流经试验段回到水箱，形成一个闭式循环。

图5 试验台架示意图

试验回路中，采用试验段后端的调节阀进行流量调节；利用孔板流量计监测流量，以减少回路振动对流量测量的影响；T 型铠装热电偶用于测量回路温度；试验件前后均安装有精度为0.1级的压力变送器进行进出口压力测量。仪表采集到的数据经配电器远传到数据采集器中，采集频率为1 Hz，采集器将数据上传到计算机中进行显示和存储。

3.2 试验结果及分析

试验数据进行处理后如表1所列。

表1 试验数据

将设计要求值与试验值中对应的进出口压降与回路流量关系如图6所示。节流孔板进出口压降计算值和试验值关系如图7所示。

图6 试验件进出口压降与回路流量关系图

图7 节流孔板进出口压降计算值和试验值关系图

试验结果表明：在不同流量下，试验件进出口压降的测量值在设计要求的上下限内，且趋势一致。试验值与计算值趋势一致，最大偏差约为6%。

理论上，节流件的阻力是局部阻力和摩擦阻力之和[5]。经过计算分析，局部阻力约占99.9%的比例，而在雷诺数大于3.8×105时局部阻力应基本不变，即节流件阻力系数随管道雷诺数变化基本平稳。将试验所得的节流件阻力系数ζ与雷诺数Re 绘制成图，如图8 所示。从图8 中的试验数据可以看出，雷诺数在3.3×105～6.3×105范围内，节流件阻力系数波动很小，基本平稳，与理论相符合，且平均阻力系数满足设计要求。

图8 阻力系数与管道雷诺数的关系

4 结论

(1)本文通过CFD 和试验相结合的方法，对AP1000化容系统的节流孔板进行了研究，提出一种新的设计方法，简化了设计过程，并搭建试验回路进行了试验验证，验证结果表明本设计方法满足设计要求。

(2)节流孔板设计时要根据设计要求的总压降和长度确定孔板的级数以及总压降在各级孔板间的合理分配，并选择合适的孔板孔径。

(3)在上述的研究范围内，随着雷诺数的增大，节流件的阻力系数基本不变。说明局部阻力系数在大雷诺数时只跟结构相关，而与流动物性参数无关。