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●Linked References
●How to Cite this Article
Nuclear Science a
nd Technology
核科学与技术
, 2014, 2,
5-8
http://dx.doi.org/10.12677/nst.2014.21002
Published Online
January 2014 (http://www.hanspub.org/journal/nst
.html
)
OPEN ACCESS
5
Lead-
Bismuth Flow Vortex
Shedding Research
Yunbo Li, Tao Zhou
*
, Ziwei Su, Xu Yang
Institute of Nuclear Thermal-Hydraulic Safety
and
Standardization, North China Electric Power University
,
Beijing
Email:
*
676850083@qq.com
Received: Sep. 9
th
, 2013; revised:
Sep
.
24
th
, 2013; accepted: Sep
.
27
th
, 2013
Copyright © 201
4
Yunbo Li
et al. This is an open access article distributed under the Creative Commons Attribution License, which permits unre-
stricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the o riginal work is properly cited. In accordance o f the Creative Commons A
t-
tribution License all Copyrights © 201
4
are reserved for Hans and the owner of the intellectual property
Yunbo
Li
et al. All Copyright © 201
4
are
guarded by l
aw and by Hans as a guardian.
Abstract:
In the pipeline, if the
phenomenon
of the vortex shedding
occurs
,
it
will cause the heat transfer tube damage
and
rupture,
and caus
e
a
great imp
act on the whole
circuit safety.
Based on
the parameters of
Sweden TALL loop
and
the defined type of the vortex shedding frequency:
vl
fSv d
=
, to calculate the Pb
-
Bi loop heat exchanger pipeline
,
we
can get
the relationship between the vortex shedding
frequency and the flow velocity, pipe diameter, Castro HA
.
The
results show that:
1) When
the
pipe diameter is larger, the vort
ex shedding
frequency is smaller. 2) As the flow velocity
is
in
creas
i
ng
, the probability of occurrence of the vortex
shedding
frequency is greater. 3)
The
larger the Castro
HA
nu
m
ber
is
,
the
bigger
the
probability of occurrence of the vortex shedding frequency is.
Keywords:
Lead Bismuth; Vortex Shedding; Castro H
A
Number
铅铋流动漩涡脱落研究
李云博,周
涛
*
,苏子威,杨
旭
华北电力大学核热工安全与标准化研究所,北京
Email:
*
676850083@qq.com
收稿日期:
2013
年
9
月
9
日;修回日期:
2013
年
9
月
24
日;录用日期:
2013
年
9
月
27
日
摘
要:
管路中,如果发生漩涡脱落现象,将会造成传热管损坏、破裂,对整个回路安全性造成不良影响。基
于瑞典
TALL
回路的各项参数,以及漩涡脱落频率的定义式:
vl
fSv d
=
,对铅铋回路换热器管路进行计算,得
到了漩涡脱落频率与来流速度、管道直径、斯特罗哈数之间的关系。计算结果表明:
1)
管道直径越大,发生漩
涡脱落的频率越小。
2)
来流速度越大,发生漩涡脱落频率的概率
越大。
3)
斯特罗哈数越大,发生漩涡脱落频率
的概率越大。
关键词:
铅铋;漩涡脱落;斯特罗哈数
1.
引言
换热器管中的铅铋流体的漩涡脱落极易造成管
子的磨损或破裂。据国外有关报告,约
40%
核电站存
在传热管破损事故
[1]
。对于铅铋回路,国际上进行实
验研究的国家还不多,瑞典、韩国、印度、意大利、
美国
[2-4]
等不多的几个国家拥有比较完整的实验台架
并进行了实验研究,研究内容主要集中在材料、流动
换热。在中国,艾辛格、张继业等对于环形管道铅铋
的湍流传热有研究。华北电力大学核热工安全与标准
化研究所周涛、刘梦影、苏子威
[5-
10
]
对铅铋的物性和
换热进行了研究。由于铅铋流体密度较大,接近于水
的
10
倍,各方面物性都与水有着巨大差别,如果发
生漩涡现象,将造成传热管道的破损、泄漏,严重影
*
通讯作者。
铅铋流动漩涡脱落研究
OPEN ACCESS
6
响整个循环回路的安全性。因此对漩涡脱落进行研究
和计算,对于铅铋回路换热器的设计和整个反应堆的
安全性是十分必要的。
2.
研究对象
2.1
. TALL
回路
建在瑞典皇家理工学院
KTH
的
TALL
回路
[4]
,如
图
1
所示,是一个中等尺寸的实验设备。它的目的是
来测试铅铋冷却反应堆的稳态和瞬态热工水力特性
的。根本目的是为了支持欧洲嬗变示范堆
ETD
用铅
铋冷却加速器驱动的次临界系统
XADS
。
从图
1
看到,主回路是封闭的
LBE
回路,包括一
个泵,一个流量计,多个加热器、管路、换热器和大
容器。二回路的循环回路包括:油泵、换热器、沉淀
池、流量计、管道、阀门、温度和压力传感器。
2.2
.
回路相关参数
如表
1
。
2.3.
漩涡脱落定义
当铅铋流体横掠换热管时,雷诺数达到一定程度,
管子背面两侧将产生周期性漩涡尾流,管束因漩涡脱
Table 1. TALL design parameters
表
1.
TALL
设计参数
主回路管道:外径
33.4
mm
,
内径
27.8
mm
二回路管道:外径
26.7
mm
,
内径
23.3
mm
主回路管道材料:
AISI316
不锈钢
二回路管道材料:碳素钢
主回路工质:
LBE
二回路工质:甘油
主回路最大流量:
15
L/min
二回路最大流量:
260
L/min
主回路工质:
LBE
二回路工质:甘油
主回路预热管道:绳式加热器
二回路预热管道:带式加热器
设备总高:
6.8
m
设备总电功率:
55
kW
LBE
在热交换器管中
最大流速:
3
m/s
LBE
的体积最大流量:
2.5
m
3
/h
换热器顶端压力:
0.1
MPa
换热器底端压力:
0.8
MPa
最大自然对流速率:
50
cm/s
LBE
的最高温度:
500
℃
换热器雷诺数数量级:
10
3
~10
5
管道固有频率范围:
20
Hz~200
Hz
Figure 1. Schematic diagram of the TALL loop
图
1.
TALL
回路示意图
铅铋流动漩涡脱落研究
OPEN ACCESS
7
落引起的振幅随流体掠过管束流速的不同而不同,流
速较低时,振幅接近线性增大,随后则呈现迅速上升
的特性,当达到漩涡脱落流速
v
时,漩涡脱落频率与
换热管固有频率吻合,换热管振动强烈,振幅达到第
一个高峰,之后随着流速的继续增大,这种共振现象
就会消失。
3.
计算模型
3.1
.
漩涡脱落频率方程
vl
fSv d
=
(1)
其中:
f
v
:漩涡脱落频率,
Hz
;
S
l
:斯特罗哈数
(strousal)
;
v
:来流速度,
m/s
;
d
:管道直径,
m
。
3.2
.
雷诺数方程
d
Re
v
ρ
η
=
(2)
其中:
Re
:雷诺数;
ρ
:流体密度,
kg/m
3
;
v
:来
流速度,
m/s
;
d
:
管道直径,
m
;
η
:
密度粘度
,
pa
⋅
s
。
3.3
.
铅铋密度方程
周涛
[6]
所归纳如下铅铋的密度方程。
11096 1.3236
LBE
T
ρ
= −
(3)
其中:
LBE
ρ
:铅铋密度,
kg/m
3
;
T
:
铅铋温度,
K
。
3.4.
斯特罗哈数取值
斯特罗哈数是与流场的不定常性有关的无量纲
数,根据吴科学所著涡街流量计工作原理
[11]
,当雷诺
数的数量级在
10
2
~
10
5
之间的,斯特罗哈数范围取经
验值
0.14
~
0.27
之间。
4.
计算结果及分析
4.1
.
漩涡脱落频率与管道直径关系
在公式
(1)
中 ,取
v
与
S
l
分别为
3
m/s
、
0.25
,
2
m/s
、
0.2
,
1
m/
s
,
0.15
,
管道直径变化范围为
35
mm
~45
mm
,
漩涡脱落频率与管道直径关系如图
2
所示。
由图
2
中的三条曲线可知,漩涡脱落频率与管道
直径的关系是互成反比关系的一条平滑的曲线。管道
直径越大,漩涡脱落频率越小。因为随着管道直径的
增加,同等速度下水的质量流量增大,单位质量的水
与管间的应力变小,扰动减小,产生涡旋的概率越来
越低。如图
2
中所示,当管径为
35
mm
时,三组数据
中的漩涡脱落频率分别为
21.4
Hz
、
11.4
Hz
、
4.2
Hz
,
并随着直径
的增大越来越小,直到管径变为
45 m
m
时,
漩涡脱落频率分别为
16.6
Hz
、
8.8
Hz
、
3.3
Hz
,与表
1
中所示管道的固有频率范围
20
Hz~
200
Hz
相差越来
越远,发生漩涡脱落的概率变小。
4.2.
漩涡脱落频率与来流速度的关系
取
d
与
s
l
分别为三组数值
45
mm
、
0.25
,
35
mm
、
0.2
,
30
mm
、
0.15
,
v
变化范围是
0.5
m/s
~
3.5
m/ s
,漩
涡脱落频率与来流速度的关系如图
3
所示。
0.035 0.040 0.045
6
12
18
fv (Hz)
d (m)
0.1
0.1
0.1
Fig
ure 2. The relationship between vortex shedding frequency and
the pipe diameter
图
2.
漩涡脱落频率与管道直径关系
01234
0
8
16
24
fv (Hz)
v (m/s)
0.1
0.1
0.1
Fig
ure
3. The relationship between the vortex shedding frequency
and the velocity
图
3.
漩涡脱落频率与来流速度的关系
铅铋流动漩涡脱落研究
OPEN ACCESS
8
由图
3
可知,漩涡脱落频率和来流速度之间的关
系是一条有斜率的直线。管内来流速度越大,漩涡脱
落频率越大。因为随着速度的增大,管道与铅铋流体
之间的各项应力增大,更容易产生漩涡。当流速为
0.5
m/s
时,漩涡脱落频率分别仅有
2.7
Hz
、
2.8
Hz
、
2.5
Hz
,
当来流速度上升到
3.5
m/s
时,漩涡脱落频率增加为
19.4
Hz
、
20
Hz
、
17.5
Hz
,与表
1
中所示的管子固有
频率值
20
Hz
到
200
Hz
越接近,发生漩涡脱落的概率
变大。
4.3
.
漩涡脱落频率与斯特罗哈数的关系
由公式
(2)(3)
,以及
表
1
数据,计算铅铋流体雷诺
数
[6]
在
3.6
×
10
5
左右,斯特罗哈数范围取经验值
0.14
~
0.27
之间 。取
d
为
40
mm
,
v
为
3
m/s
,漩涡脱落频率
与斯特罗哈数之间的关系如图
4
所示。
由图
4
可知,漩涡脱落频率与斯特罗哈数的函数
曲线呈直线关系。斯特罗哈数是由物体形状阻力系数
决定的参数,主要由管件的形状尺寸决定,表示流体
在管内受到的各向阻力因素,斯特罗哈数越大,铅铋
流体在管内受到的各向阻力越大,越容易产生涡旋,
漩涡脱落频率越大,在铅铋回路中,就越容易发生漩
涡脱落导致的流致振动现象。
5.
结论
根据以上的据算结果,我们可以得出以下三点结
论:
0.140.21 0.28
6
12
18
fv (Hz)
sl
0.1
0.1
0.1
Fig
ure 4. Relationship between the vortex shedding frequency and
the number of Castro
图
4.
漩涡脱落频率与斯特罗哈数的关系
1)
铅铋回路换热器中,随着管道直径越大,漩涡
脱落频率越小,与管子的固有频率相差越远,发生流
致振动现象的概率越小,对管道可能造成损害的机率
也小。
2)
铅铋回路换热器中,来流速度越大,漩涡脱落
频率越大,与管子的固有频率越相近,发生流致振动
现象的概率越大,对管道可能造成损害的机率也越大。
3)
铅铋回路换热器中,斯特罗哈数越大,漩涡脱
落频率越大,与管子的固有频率越相近,发生流致振
动现象的概率越大,对管道可能造成损害的机率也越
大。
4)
通过计算,可知设计管道时,采用相对较大直
径,降低来流速度,控制雷诺数以减小斯特罗哈数,
都可以防止漩涡脱落现象的发生,从而保护管道免受
流致振动的侵害。
项目基金
中国科学院战略性先导科技专项资助
(
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03040000
)
教育部博士点基金
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