FLUENT软件在二次滤网辅助设计中的应用

0 引言

随着国内火电机组的容量从300MW～1000MW甚至核电1250MWe的不断扩大，对循环水二次滤网的要求也越来越高，特别是核电600MWe及以上大机组，由于参考设计电站为国外引进消化改进技术，其具有布置紧凑、高效的特点。如果采用以前为国内火电机组配置的二次滤网，由于效率低、体积大、防腐能力差，不能满足核电机组的设计、安装、运行要求。因此，设计一种高效、体积小、布置紧凑、且防腐能力强、运行可靠的二次滤网，是核电机组的迫切要求，在这样一种背景下，我们在二次滤网设计上采用了先进的FLUENT软件技术，进行流场、水阻等仿真分析，对设计方案进行优化，优化后的二次滤网布置紧凑、效率高、运行可靠。

1 二次滤网设计思路

二次滤网的主要技术指标是运行水阻，受传统设计思想的约束，认为二次滤网的通流倍率越大，二次滤网的性能就越好、越可靠；因此，老式的二次滤网，由于追求通流倍率，因而体积做的也就较大。显然，靠这种传统的设计思想，是无法满足大机组的空间布置要求的。通过认真的分析，二次滤网的运行水阻应该是一个主要考核指标，设计应该是以满足运行水阻要求为目的，这不仅是机组运行的经济性要求，也是设备制造经济性目的，在设计和工程应用实践中二次滤网的设计应满足以下要求：

①设计水阻≤500mmH2O；

②过滤精度：φ5～8mm；

以某项目1000MW机组工程二次滤网设计为例，二次滤网内部过滤装置的过滤网片是由不锈钢薄板冲孔成型的，因此，可以按流体通过厚板条或穿孔平板制的格栅选取计算公式，二次滤网设计水阻数学计算公式[1]：

式中：λ与雷诺数有关；ξ0与网板开孔率有关；l—网板厚度；dr—网孔直径。

式中：fOTB—一个孔的面积；

F1—二次滤网入口面积。

本例结构设计后，计算通流倍率为1.2倍，计算水阻：

2 FLUENT软件仿真计算

FLUENT是世界领先的通用计算流体动力学(CFD)软件，用来模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动。由于采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术，FLUENT能达到最佳的收敛速度和求解精度。FLUENT软件包含丰富而先进的物理模型，能够精确地模拟无粘流、层流、湍流。湍流模型选用标准的k-ε模型组[2]，压速耦合采用SIMPLE算法[3]。二次滤网滤芯区域，实际是一个多孔的连续空间，适合采用多孔介质模型。多孔介质模型机理是在所谓的多孔介质区域中加上由经验公式确定的流动阻力[4]。多孔介质模型是在流体流动控制方程的动量方程中加上额外的动量源项。源项由两部分组成，一部分是黏性损失项（Darcy），另一个是内部损失项：

其中：Si是i向（x,y,或 z）动量源项，D和C是规定的矩阵。在多孔介质单元中，动量损失对于压力梯度有贡献，压降和流体速度（或速度方阵）成比例。

对于简单的均匀多孔介质：

其中：α是渗透性；C2是内部阻力因子；

按初步设计的二次滤网结构和几何尺寸，在PRO/E中建立三维物理模型，然后通过Pro／E导出Step格式的图形文件采用GAMBIT对模型进行网格划分等前处理，网格单元采用对三维复杂空间自适应能力强的hexahedral（三维六面体有限元网格自动划分中的一种单元转换优化算法）[5]。采用式（4）进行计算，导入计算软件FLUENT后，指定了二次滤网在额定流量下的边界条件，对以下内容作分析：

①滤芯100%洁净时的水阻分析

使用FLUENT的表面积分功能，得到滤网进、出水面的相对总压见图1：

转换为水头差为：△P=-478mmH2O

②滤芯100%洁净时，介质过网流际分析

由图2分析，滤芯入口侧介质流线均匀分布，并向过滤网板孔处集聚，通过网板后又趋于均匀，流线分布均匀，没有扰流和回流现象，说明没有扰流和回流产生的阻力损失，滤芯结构布局设计较为合理。

③滤芯100%洁净时，介质过网速度流势分析

由图3分析，滤芯介质过网流速正面底部最高，流速随与轴向的夹角增大而减小，说明网片与轴线的夹角影响压力损失，但总体速度矢量分布均匀，如同一朵待放的莲花，没有扰动碰撞和回流碰撞现象，网片结构合理。

④滤网排污速度流势分析

由图4分析，排污流线顺畅，喉部流速过高，有瓶颈形象，需要优化设计。

图1 滤网总压图

图2 滤网过网流线图

图3 滤网过网速度图

图4 滤网排污流线图

3 结论

（1）验证了二次滤网设计水阻数学计算方法的适用性。

（2）循环水到达滤网正面底部时流速最大，对过滤网片的冲击力最大，需要对过滤网片进行刚性加固。

（3）过滤网面上的压力沿轴向变化，随轴向距离增大，也说明需要对过滤网片进行刚性加固。

（4）排污时，排污管喉部流速过快，设计时合理选择喉部的结构，便于排污顺畅，防止排污死区。