入口涡结构对文丘里流量计测量虚高影响_王志武.pdf

实 验 技 术 与 管 理 第 40 卷 第 2 期 2023 年 2 月 Experimental Technology and Management Vol.40 No.2 Feb.2023 收稿日期:2022-08-17 作者简介:王志武（1975），男，广东汕尾，本科，高级工程师，主要研究方向为仪控设备可靠性管理，。通信作者:姚力恺（1987），男，江苏苏州，本科，工程师，主要研究方向为仪控设备可靠性管理，。引文格式:王志武，姚力恺，齐宝喆，等.入口涡结构对文丘里流量计测量虚高影响J.实验技术与管理,2023,40(2):109-114.Cite this article:WANG Z W,YAO L K,QI B Z,et al.The effect of inlet vortex on Venturi flowmeter inflated measurementJ.Experimental Technology and Management,2023,40(2):109-114.(in Chinese)ISSN 1002-4956 CN11-2034/T DOI:10.16791/ki.sjg.2023.02.018 入口涡结构对文丘里流量计测量虚高影响 王志武1，姚力恺1，齐宝喆1，汪 骞2，桂 南2，刘 洋2（1.苏州热工研究院有限公司，深圳 518000；2.清华大学 核能与新能源技术研究院，北京 100084）摘 要：文丘里流量计作为核电厂二回路主给水系统（ARE）的流量监测设备，对给水流量的准确测量至关重要。在 ARE 系统大小阀切换期间，文丘里流量测量值可能存在波动和虚高现象，影响反应堆正常运行。该文基于计算流体力学方法，对简化的管路结构和实际的安装误差进行建模，分析了文丘里管入口涡因素对流量虚高的影响。结果表明入口涡旋会在文丘里管喉部增速导致测量差压增加，而 ARE 大小阀切换期间，支管处的周向速度分布会放大该效应；另外，当主管阀门开度逐渐增加时，能抑制支管射流引致的单体涡强度，降低流量测量虚高误差。关键词：文丘里管；测量虚高；计算流体力学；入口涡旋 中图分类号：TL333 文献标识码：A 文章编号：1002-4956(2023)02-0109-06 The effect of inlet vortex on Venturi flowmeter inflated measurement WANG Zhiwu1,YAO Likai1,QI Baozhe1,WANG Qian2,GUI Nan2,LIU Yang2(1.Suzhou Nuclear Power Research Institute Co.,ltd.,Shenzhen 518000,China;2.Institute of Nuclear and New Energy Technology,Tsinghua University,Beijing 100084,China)Abstract:As a flow monitoring device for the second-loop main feedwater system(ARE)of a nuclear power plant,the Venturi flowmeter is critical to the accurate measurement of feedwater flow.During the switching of large and small valves in the ARE system,the Venturi flow measurement value may have fluctuation and false high phenomenon,which affects the normal operation of the reactor.This paper analyzes the effect of Venturi inlet vortex on false high of flow measurement based on computational fluid dynamics method for simplified structure and installation geometry.The results show that the inlet vortex increases the velocity at the Venturi throat leading to an increase in the measured differential pressure,and that the circumferential velocity distribution at the branch pipe during ARE valve switching amplifies this effect.In addition,when the main valve opening is gradually increased,it can suppress the intensity of the single vortex caused by the branch jet and reduce the false high of flow measurement.Key words:Venturi flowmeter;false measurement;computational fluid dynamics;inlet vortex 文丘里管作为一种典型的差压流量计，因其结构简单、性能稳定、维修方便等特点被广泛应用在流体流量测量领域1-3。压水堆核电厂中，主给水系统（ARE）给水流量信号通常也由文丘里流量计提供4-5。核电站在启停堆过程涉及热功率变化，需要对ARE 给水流量进行调节以保证一回路和二回路间功率匹配，同时维持蒸汽发生器（SG）内水位在预定基准值6。但在部分核电基地压水堆运行过程中，当主给水管道由大阀门切换至旁路小阀门时，部分环路出现文丘里流量计测量值较蒸汽流量虚高的问题，导致SG 内液位降低，可能影响反应堆正常运行。文丘里管测量虚高现象在湿蒸汽、气固两相流等领域已有较广泛的研究7-9，国内外学者基于实验测量与理论分析，提出了若干流量虚高测量模型，如110 实 验 技 术 与 管 理 Murdock 模型10、Chisholm模型11、De Leeuw 模型12、Bizon 模型13和林宗虎模型14等。这些模型能对气液两相流测量结果进行修正，以获得准确的流量。但在核电站 ARE 系统中，流体压力较高且温度低于饱和温度，单相流态的测量结果波动缺乏实验数据的支持和相应的理论模型。目前有说服力的原因是单相流动中存在涡旋结构15-16。入口涡因素在旋转机械中较为多见，Li 等17通过在射流反应器入口增加涡旋分析对后续流动的影响，Chen 等18研究了上游阀门开度与涡旋器流动的关系。文丘里管结构中，Wang 等19在文丘里中加装旋涡器用以生成微小气泡，Shi 等20利用入口涡旋激发空穴内气泡，对下游流场产生影响。Khozaei 等21结合实验和仿真计算分析了单相流中入口涡旋因素，使文丘里管产生压力脉动。但针对文丘里流量计测量所关心的差压数值，前述研究尚未涉及。文丘里管入口涡旋结构可能是单相流流量测量虚高的直接因素22-23。考虑流量测量虚高出现在 ARE系统阀门切换过程，文丘里管前段的三通结构可激励形成流体涡旋影响后续流动，本文通过 CFD 仿真研究不同入口涡结构对文丘里管内流场和差压的影响，为分析文丘里流量计测量误差提供理论依据。1 流动过程分析 核电厂 ARE 在文丘里流量计附近处流动示意如图 1 所示，大小阀门分别对应不同功率下的给水流量。运行过程中大小阀入口的流动雷诺数均在 106以上，处在湍流流态下。在大小阀切换期间，大阀关闭至 6%以下、小阀全开，大小阀水管都有水流流过，并在文丘里管流量计前 90相交后汇合。图 1 文丘里管直管段图 ARE 大小阀切换时可能会发生测量流量虚高现象，即不同程度的汽水偏差和波动问题。此时可能由于流量分布不对称而产生涡流，影响流量测量，随着大阀开度增加，流体扰动的程度又逐渐减缓。文丘里流量计通过差压关系确定质量流量24，即 2m424 1Cdpq=-（1）其中，mq为质量流量，C为流出系数，d 为文丘里管喉部直径，/dD=为直径比，D 为上游管道直径，为可膨胀性系数，p为差压，为流体密度。文丘里流量计中流动工质为去离子水，设计压力9.1 MPa，温度 240。全长 4 200 mm，外径 406.4 mm，直管段内径 363.6 mm，喉部内径 214.23 mm，直径比=d/D 为 0.591 794。刻度流量 2 442 t/h，参考差压185.45 kPa。2 数值模拟 2.1 简化单体涡结构影响 在理想几何条件下模拟 ARE 大小阀切换时支管射流情况，会引起强度相仿、方向相反的漩涡，且耗散较快，对下游文丘里管处差压影响较小。因此本文主要考虑非理想几何条件下入口涡因素。首先以主管道中仅存一单体涡结构情况为例，分析入口涡结构对文丘里管内流动影响并与后续工况对照。计算模型如图 2 所示，离散网格数量约为 1 200万个。数值求解采用 SST k-湍流模型，因其在旋转工况下具有良好的适应性。入口边界条件包括沿轴向速度值和周向速度分布值，轴向速度由出力功率对应流量给出，周向速度与支管偏置入口速度等效。出口为静压力边界。计算结果如表 1 所示，ARE 不同出力功率下由小阀门引致的简化单体涡结构会对文丘里流量计差压结果产生明显影响，进而反映在质量流量计算误差 E 上。其计算公式如（2）式所示。m,Venturim,setm,set100%qqEq-=（2）其中，qm，Venturi是使用公式（1）计算得到的文丘里管差压对应的流量值，qm,set是计算设定的进口质量流量值。当主管中切向角速度超过 40 rad/s 时，可导致近20%相对误差，即 80 t/h 以上的偏差。入口单体涡提高文丘里管喉部低压段流速，最终引起差压测量增大，导致流量“虚高”现象。另外，该偏差随总流量的降低而减少，当支管入口流量低于某一临界值时，在主管道中激起的涡结构能量较小，流动过程中逐渐被耗散掉，不足以到达文丘里喉部对差压测量造成影响。图 3 和图 4 分别为 ARE 出力功率为 25%情况下简化单体涡流场速度流线和截面压力分布。速度流线显示单体旋涡自入口不断发展，经过文丘里流量计后仍存在。文丘里高压、低压和出口截面的压力分布显示，低压核心区并非处在管路轴线上。2.2 支管安装误差 支管安装误差会形成非理想几何结构，此时支管射流引起非对称入口涡。足够强度的涡旋会影响下游文丘里流量计处的流动状态。考虑两种支管安装误差，支管与主管同心度偏差和相交角度偏差，分别如图 5(a)和图 5(b)所示。王志武，等：入口涡结构对文丘里流量计测量虚高影响 111 图 2 简化单体涡对文丘里流量测量虚高的影响的计算模型 表 1 简化单体涡计算仿真结果 出力功率 总流量/(th1)入口温度/轴向流速/(ms1)入口涡角速度/(rads1)文丘里入口角速度/(rads1)计算差压流量/(th1)相对误差/%25.0%405.0 166.0 1.20 42.4 8.30 483.0 19.2 21.2%363.2 159.8 1.08 37.8 6.32 426.0 17.3 20.0%350.0 158.0 1.03 36.3 5.69 408.0 16.6 15.0%270.0 148.0 0.78 27.7 4.40 297.7 10.3 10.0%195.0 138.0 0.56 19.8 2.99 209.2 7.30 图 3 简化单体涡速度流线图 图 4 简化单体涡文丘里截面压力云图 图 5 两种支管安装误差示意图 112 实 验 技 术 与 管 理 2.2.1 假设支管安装误差 为验证支管安装误差可能产生的入口涡结构，对文丘里流量计测量造成影响。假设支管轴线同心度偏差 10 mm、相交角偏差 5，计算网格节点数为 1 500万个左右。当支管安装存在侧向偏移时，支管射流形成的非对称涡会逐步演化为单体涡而随主流运动，增大文丘里流量计喉部截面速度，从而影响计算差压值。从不同截面的速度流线图中观察，图 6 中显示支管/主管三通后存在复杂的流动结构，以及明显的强度不相同的非对称涡核。随着流动过程进行，在主管入口后 200 mm左右逐渐形成非对称双涡结构。进一步在支管入口后400 mm 位置处，偏置射流产生的非对称双涡结构由于强度差异，小涡耗散完，逐渐发展为单体涡结构。图 6 支管三通后不同位置截面非对称涡演化为单体涡过程 非对称几何结构提供漩涡演化的过程，在支管入口叠加周向角速度边界条件，可进一步增加流场中涡旋强度。结果汇总在图 7 中，支管入口无涡旋工况，文丘里流量测量误差为 5.9%。叠加入口涡旋时，当涡核位于支管中心，对文丘里管差压计算影响较小。而当入口涡核中心上偏 1/4 时，对结果影响十分显著。入口涡角速度为 225 rad/s时达到 20%以上的相对误差（此时，文丘里管入口涡旋度达到 7.154 rad/s），之后文丘里流量计差压数值随入口角速度增加逐渐减小。考虑不同入口涡强度与主管道中流体相互作用，导致当入口涡旋强度过大时，能量耗散使支管单体涡无法在主管道中激励出足够强度的单体涡结构。图 7 支管三通后不同位置截面非对称涡 演化为单体涡过程 王志武，等：入口涡结构对文丘里流量计测量虚高影响 113 2.2.2 实测支管安装误差 基于假设支管的计算模型，对 ARE 大小阀处三通结构实验测量显示，几何上存在 0.5的相交角度和5.87 mm 的同心度偏差（网格模型见图 8）。类似地，在支管入口不同周向速度边界条件下，研究其对文丘里流量测量虚高的影响，结果如表 2 所示。整体上看支管单体涡核影响较为明显，尤其是涡核上偏工况，相对误差能达到 20%以上，对应文丘里管入口角速度7.83 rad/s。通过数值模拟，证实了安装误差叠加入口涡旋因素对文丘里流量计的流量测量准确性的影响。图 8 支管计算模型及局部放大图 表 2 实测结构数值模拟结果 入口涡核 位置 质量流量/(th1)支管入口角速度/(rads1)计算 差压/Pa 计算 差压流量/(th1)相对误差/%无涡旋 363.2 0 4 337.53 383.2 5.5涡核位于中心 363.2 250 4 494.60 390.1 7.4涡核上偏 1/4 363.2 250 5 673.55 438.3 20.7涡核上偏 1/4 363.2 300 4 883.67 406.7 12.0 主给水系统在功率上升时，对应大阀会逐渐开启。即此时主管道入口开始具有微小流量，对支管射流引发的单体涡产生冲击。计算模拟中，入口流量、支管入口旋度与表 2 中的支管射流且涡核上偏 1/4 工况（主管流量占比 0%，支管流量占 100%总流量，支管入口角速度 250 rad/s）相同，仅改变主管道流量比例。当主管流量从 0%提升为 5%和 10%总流量时，文丘里流量测量虚高误差分别降低到 7.2%和 4.6%。说明当主管轴线流动对文丘里管流量虚高现象产生抑制。随主管流量的增加，相对误差逐渐降低。图 9 为不同主管阀门开度下，文丘里流量计不同位置处的截面最大切向角速度，图中横坐标使用主管直径D作为表征各截面距离文丘里流量计出口距离的单位。整体上切向角速度在入口段至文丘里流量计喉部位置处不断增加，而在出口至流动后半段逐渐减弱，反映出单体涡在流动过程中的演化行为。文丘里喉部速度流线图显示，随着主管道阀门开度的增加，切向角速度的峰值不断减小，且涡核的位置逐渐向中心靠拢，反映出主管流动对流量虚高现象的抑制。图 9 不同主管流量占比下切向角速度变化（D 为主管直径）114 实 验 技 术 与 管 理 3 结论 通过对文丘里流量计内入口涡因素的数值模拟研究，可以得到如下结论：（1）对文丘里流量计入口设置等效流动涡旋，周向速度分量会提高文丘里管喉部低压段流速，引起差压测量增大，导致流量虚高现象。（2）ARE 大小阀切换时，主管与支管间轴线同心度和角度偏差会影响主管单体涡的形成，叠加支管入口涡旋会强化该效应。（3）对实测管路的仿真结果表明，安装偏差与支管入口涡的作用会导致流量虚高现象，相对误差最大可达 20%。（4）当大阀开度逐渐增加时，对支管射流引致单体涡存在抑制效应，使文丘里流量计测量结果相对误差更小。入口涡因素可能由制造安装处的偏差叠加或阀门切换过程中激发涡旋产生，在一定流量区间会影响文丘里流量计测量结果。可以通过提高安装精度、延长入口段长度或结合孔板流量计测量结果等方式避免该现象出现。参考文献(References)1 彭兴建，何灿阳，袁德文，等.湿蒸汽流量测量虚高模型的实验研究J.核动力工程，2013,34(5):128-131.2 张永胜，张毅治，王鹏.孔板与文丘里管脉动流量测量的误差比较J.计量技术，2020,546(2):63-65.3 HUANG J,SUN L,LIU H,et al.A review on bubble generation and transportation in Venturi-type bubble generatorsJ.Experimental and Computational Multiphase Flow,2020,2(3):123-134.4 白雪松，袁德文，闫晓，等.湿蒸汽流量测量虚高系数影响数值研究J.核动力工程，2013,34(5):132-134,138.5 郝晓锋.AP1000 三门项目二回路主给水流量测量分析J.中国高新技术企业，2013,258(15):40-43.6 赵二雷，李林坤，王广金，等.基于 CFD 分析的文丘里流量计设计优化J.原子能科学技术，2022,56(6):1196-1203.7 谢菲，吴占松.文丘里管内气固两相流动的数值模拟和实验 J.动力工程，2007,27(2):237-241.8 张强，徐英，张涛.长槽道内文丘里湿气流量测量虚高特性 J.化工学报，2011,62(3):636-642.9 徐英，段玉晗，赵轶.文丘里高压湿气测量虚高特性数值模拟J.天津大学学报，2012,45(3):221-227.10 MURDOCK J W.Two-phase flow measurement with orifices J.Journal of Basic Engineering,1962,84(4):419-432.11 CHISHOLM D.Void fraction during two-phase flowJ.Journal of Mechanical 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