趙 君，馬元宏，王宏偉

(1.核工業(yè)理化工程研究院，天津 300180；2.中國航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院，北京 100074)

同位素已經(jīng)廣泛應(yīng)用于地質(zhì)、醫(yī)療、能源等相關(guān)領(lǐng)域研究。為此需要研究用于同位素生產(chǎn)的專用設(shè)備，提高其物理性能，滿足生產(chǎn)需要。在特種工業(yè)用同位素生產(chǎn)專用設(shè)備中，為了進(jìn)行同位素氣體處理，設(shè)置了氣流輸運(yùn)管狀部件，負(fù)責(zé)輸運(yùn)該設(shè)備中含有的同位素氣體，氣流輸運(yùn)部件與氣流產(chǎn)生激波等相互作用。專用設(shè)備運(yùn)行時(shí)其高速氣流馬赫數(shù)在3～6以上。由于特殊的需要,應(yīng)保證高速氣體以較小的能耗進(jìn)入氣流輸運(yùn)管狀部件,同時(shí)降低繞流高速氣體的能量損耗,為此需要降低高馬赫數(shù)氣流與氣流輸運(yùn)部件相互作用產(chǎn)生的內(nèi)外摩擦和激波損耗。在專用設(shè)備設(shè)計(jì)、優(yōu)化過程中，一直比較重視其內(nèi)部氣流輸運(yùn)部件能耗的優(yōu)化，致力于降低其能耗，以提高專用設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性。

為降低專用設(shè)備中氣流輸運(yùn)部件的能耗，初步考慮采用減小其頭部直徑，將其設(shè)計(jì)為錐度為1∶3到1∶5的變直徑圓管形狀(各部分直徑均小于5～10 mm)的方法，同時(shí)考慮通過改變氣流輸運(yùn)部件頭部激波形式來進(jìn)一步減小氣流輸運(yùn)部件能耗。

文獻(xiàn)[1-2]中詳細(xì)論述了不同激波形態(tài)的特征、產(chǎn)生正激波和斜激波的條件和相關(guān)激波前后參數(shù)關(guān)系計(jì)算方法。根據(jù)文獻(xiàn)[1-2]中對(duì)正激波和斜激波特點(diǎn)和關(guān)系的論述，初步認(rèn)為如果對(duì)氣流輸運(yùn)部件進(jìn)行頭部切角處理，其頭部激波可以假設(shè)為楔形體前緣激波，與頭部不進(jìn)行切角處理時(shí)相比，激波形式會(huì)發(fā)生改變，即激波角減小，由正激波轉(zhuǎn)化為接近斜激波形式，從而可能會(huì)減小氣流輸運(yùn)部件能耗，使得氣流輸運(yùn)部件滿足使用要求。

要驗(yàn)證這一初步分析是否合理，確定設(shè)計(jì)為變直徑管形狀并且頭部進(jìn)行切角處理后的氣流輸運(yùn)部件是否滿足使用要求，需要對(duì)專用設(shè)備中氣流輸運(yùn)部件內(nèi)部和外部流場(chǎng)開展詳細(xì)研究，從而給定符合實(shí)際的流場(chǎng)條件對(duì)氣流輸運(yùn)部件的能耗進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)氣流輸運(yùn)部件性能進(jìn)行判斷。

文獻(xiàn)[3]中考慮湍流流動(dòng)的影響計(jì)算了能耗的變化情況，但計(jì)算時(shí)速度分布初始條件的給定，還需要通過理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)定進(jìn)行調(diào)整，使其更加符合實(shí)際情況。

文獻(xiàn)[4-5]中對(duì)壓力修正法進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，根據(jù)其中分析，使用壓力修正法進(jìn)行計(jì)算可以使得初始?jí)毫μ荻鹊慕o定影響到鄰近的計(jì)算區(qū)域，計(jì)算時(shí)加入脈動(dòng)量，可以體現(xiàn)時(shí)間脈動(dòng)量，即湍流性質(zhì)的影響。但初始條件的給定對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較大。

文獻(xiàn)[6-8]中對(duì)粒子圖像測(cè)速(PIV)測(cè)試系統(tǒng)的組成、性能、數(shù)據(jù)處理方法等進(jìn)行了詳細(xì)介紹，觀測(cè)到了較為理想的流場(chǎng)形態(tài)。但是對(duì)于頭部形狀特殊、且氣流馬赫數(shù)達(dá)到3～6的圓管內(nèi)、外流動(dòng)并未進(jìn)行詳細(xì)測(cè)定。

文獻(xiàn)[9-15]中對(duì)流動(dòng)脈動(dòng)量的變化規(guī)律開展了部分實(shí)驗(yàn)測(cè)定和計(jì)算分析，但并沒有針對(duì)頭部進(jìn)行切角處理的圓管對(duì)原始流場(chǎng)脈動(dòng)量的影響進(jìn)行詳細(xì)研究。

以上述研究為基礎(chǔ)，綜合考慮氣流輸運(yùn)部件(變直徑管)直徑小、氣流馬赫數(shù)高、存在變徑部分等特殊性，確定了其內(nèi)部、外部流場(chǎng)特性研究方法，即采用數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗(yàn)相結(jié)合的方法，采用壓力修正法結(jié)合部分管道流動(dòng)測(cè)量經(jīng)驗(yàn)給定初始條件對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬分析計(jì)算，對(duì)外部流場(chǎng)進(jìn)行流動(dòng)顯示和PIV測(cè)量，得到了其流場(chǎng)特性參數(shù)，據(jù)此給定了能耗計(jì)算所需初始流場(chǎng)條件，根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)的氣流輸運(yùn)部件能否滿足能耗要求進(jìn)行了判斷。

1 氣流輸運(yùn)部件內(nèi)部流場(chǎng)計(jì)算

由于氣流輸運(yùn)部件直徑小于10 mm，且材質(zhì)為金屬材料，不透明，內(nèi)部流場(chǎng)很難采用PIV等方法測(cè)得，考慮通過理論計(jì)算獲得對(duì)變直徑管內(nèi)部速度分布圖像和壓力分布云圖，判斷是否存在激波波系，以及渦結(jié)構(gòu)，了解其傳播情況。

使用壓力修正方法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，可以體現(xiàn)初始?jí)毫?chǎng)的影響，如果給定的初始?jí)毫l件合理，計(jì)算結(jié)果就會(huì)更加符合實(shí)際。

在進(jìn)行能耗計(jì)算時(shí)，摩擦能耗計(jì)算與氣流速度分布有關(guān)。即

Wn=Mnu

(1)

其中Wn為摩擦能耗；u為氣流速度；Mn為摩擦阻力矩；s為摩擦力作用區(qū)域；r為計(jì)算單元摩擦力作用位置，F(xiàn)n為計(jì)算單元所受摩擦力。

激波能耗計(jì)算時(shí)需要提供其激波角，與激波角即激波具體形態(tài)有關(guān)：

Wp=Mpu

Mp=(p2-p1)Arp

(2)

其中[3]Wp為激波能耗；u為氣流速度；Mp為激波阻力矩；p2和p1分別為激波前后氣流壓力，可根據(jù)激波關(guān)系式計(jì)算，與激波角有關(guān)；A為激波作用面積；rp為激波作用位置。

1.1 計(jì)算方法

采用壓力修正方法需要首先預(yù)估一個(gè)壓力場(chǎng)，同時(shí)給出預(yù)估速度場(chǎng)，由估計(jì)的壓力場(chǎng)求解離散的動(dòng)量方程，得到速度分量。這一步驟根據(jù)文獻(xiàn)[9-15]所述測(cè)量所得湍流流動(dòng)規(guī)律以及實(shí)際專用設(shè)備中實(shí)驗(yàn)測(cè)得部分位置壓力參數(shù)給定預(yù)估值。具體可以參考文獻(xiàn)[4-5]所述。

1.2 計(jì)算條件

設(shè)置氣流輸運(yùn)部件入口平均速度為530 m/s和來流壓力平均約為31 920 Pa，氣流溫度450 K，氣流輸運(yùn)部件壁面設(shè)為等溫壁面。選擇k-ε湍流模型進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算時(shí)，通過產(chǎn)生符合正態(tài)分布的隨機(jī)數(shù)，結(jié)合文獻(xiàn)[9-15]中相關(guān)湍流實(shí)驗(yàn)測(cè)得經(jīng)驗(yàn)值，給定初始?jí)毫退俣让}動(dòng)量。

圖1 氣流輸運(yùn)部件內(nèi)部網(wǎng)格劃分

1.3 計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 氣流輸運(yùn)部件內(nèi)部速度分布計(jì)算結(jié)果

圖3 氣流輸運(yùn)部件內(nèi)部壓力分布計(jì)算結(jié)果

從計(jì)算結(jié)果上看，在變徑區(qū)域，氣流速度產(chǎn)生較大變化，圖2中繪制出了氣流流向(x方向)速度沿氣流輸運(yùn)部件軸向分布曲線，相對(duì)軸向位置為1處為氣流輸運(yùn)部件頭部位置，可以看出在變徑部分速度變化大于40%。從圖2和圖3中可以看出,在部件頭部前緣和變徑區(qū)產(chǎn)生一系列速度和壓力變化，伴隨氣流與壁面的作用，產(chǎn)生擾動(dòng)，此擾動(dòng)影響距離達(dá)到約10 mm。在變徑管后部約10 mm后，氣流輸運(yùn)部件中的速度和壓力已不受變徑區(qū)域產(chǎn)生的干擾，速度值、壓力值逐漸趨于穩(wěn)定，不再有大的改變，僅在管壁面存在較薄的邊界層。這種變化直接影響氣流輸運(yùn)部件內(nèi)部的摩擦能耗，代入計(jì)算所得速度分布計(jì)算氣流輸運(yùn)部件(變直徑管)內(nèi)壁摩擦能耗較假設(shè)變直徑管內(nèi)部速度分布為線性分布時(shí)增加約1%，但綜合部件外部情況，整體能耗較不設(shè)計(jì)變徑區(qū)域即為普通圓管時(shí)會(huì)減小約30%～50%。

2 氣流輸運(yùn)部件外部流場(chǎng)試驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置和條件

為進(jìn)一步進(jìn)行氣流輸運(yùn)部件外部流場(chǎng)特性研究和考證，了解不同氣流輸運(yùn)部件外部流場(chǎng)情況，判斷是否存在可能引起能耗改變的激波形態(tài)和渦結(jié)構(gòu)變化，開展了氣流輸運(yùn)部件外部流場(chǎng)的風(fēng)洞試驗(yàn)研究。

試驗(yàn)在中國航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院的FD-03高超聲速風(fēng)洞中進(jìn)行，風(fēng)洞試驗(yàn)馬赫數(shù)為6，單位雷諾數(shù)為2.0×107m，噴管出口尺寸為170 mm×170 mm。設(shè)備照片見圖4。

圖4 FD-03高超聲速風(fēng)洞

試驗(yàn)過程中，為將氣流輸運(yùn)部件穩(wěn)定安裝在風(fēng)洞中，不發(fā)生震動(dòng)等影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的情況，設(shè)計(jì)了專用的氣流輸運(yùn)部件(變直徑管)支架，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪居趫D5。

圖5 頭部無切角、 30°切角氣流輸運(yùn)部件模型圖

為了能夠清晰觀測(cè)到氣流輸運(yùn)部件頭部激波形態(tài)，分布使用瞬態(tài)紋影試驗(yàn)技術(shù)和PIV試驗(yàn)技術(shù)對(duì)頭部不帶切角和頭部帶有30°切角的變直經(jīng)管附近激波情況進(jìn)行了測(cè)量。

基于雙反射鏡紋影儀進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)瞬態(tài)紋影系統(tǒng)，由脈沖光源、反射鏡、刀口和相機(jī)組成，能夠捕捉小的密度梯度變化。由于氣流輸運(yùn)部件(變直徑管)附近流場(chǎng)存在小的渦結(jié)構(gòu)，存在較強(qiáng)的非穩(wěn)定性特征，對(duì)測(cè)量系統(tǒng)光路準(zhǔn)直性要求較高，實(shí)驗(yàn)中調(diào)整了刀口的方向，保證了具有一定非穩(wěn)定性的特殊激波結(jié)構(gòu)、渦結(jié)構(gòu)的捕捉。具體光路圖示于圖6。

圖6 瞬態(tài)紋影測(cè)量系統(tǒng)示意圖

試驗(yàn)過程中，利用FD-03風(fēng)洞已有的紋影光路系統(tǒng)，采用脈沖激光器做為紋影系統(tǒng)的光源，結(jié)合高速相機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)氣流輸運(yùn)部件附近流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的流動(dòng)顯示。試驗(yàn)過程中紋影采集頻率為20Hz，每次試驗(yàn)采集圖像為1 000幅。

實(shí)驗(yàn)中使用的粒子圖像測(cè)速即PIV系統(tǒng)，如圖7所示，包括激光照明系統(tǒng)(由圖7中激光器、片光調(diào)制裝置、導(dǎo)光臂組成)、圖像采集系統(tǒng)(主要指圖7中相機(jī)、控制器)和粒子播撒系統(tǒng)(由圖7中粒子發(fā)生器、粒子播撒管道組成)。根據(jù)氣流輸運(yùn)部件尺寸和風(fēng)洞流速，調(diào)整了相機(jī)跨幀間距，采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行互相關(guān)計(jì)算時(shí)選擇使用變形窗口，保證能夠最大限度捕捉到近壁區(qū)速度分布及較小的渦結(jié)構(gòu)。

圖7 粒子圖像測(cè)量系統(tǒng)示意圖

其中的激光照明系統(tǒng)主要包括雙脈沖激光器、片光調(diào)制裝置、導(dǎo)光臂等裝置，通過激光器產(chǎn)生一定強(qiáng)度的激光脈沖，經(jīng)片光調(diào)節(jié)裝置形成片狀光源照明流場(chǎng)的一個(gè)二維截面。

粒子播撒系統(tǒng)是測(cè)試系統(tǒng)當(dāng)中至關(guān)重要的一個(gè)方面，因?yàn)闇y(cè)量區(qū)域的速度是通過拍攝的示蹤粒子圖片直接得到。因此對(duì)示蹤粒子有兩個(gè)基本要求，一是要具備良好的跟隨性，二要保證示蹤粒子化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，無毒害作用。實(shí)驗(yàn)時(shí)通過粒子播撒器將示蹤粒子注入到風(fēng)洞中，經(jīng)過充分的摻混使示蹤粒子均勻分布于試驗(yàn)段內(nèi)，以拍攝出較好的粒子圖像。

圖像采集系統(tǒng)主要為高速電荷耦合器件相機(jī)跨幀(CCD相機(jī))，用以拍攝記錄流場(chǎng)圖像，跨幀CCD相機(jī)感光陣列上的每一個(gè)象素均由相鄰的感光區(qū)域和屏蔽的非感光區(qū)域兩部分組成，非感光區(qū)域做為緩沖區(qū)在相機(jī)快門開啟后，將感光區(qū)域曝光產(chǎn)生的信號(hào)瞬時(shí)存儲(chǔ)起來，使感光區(qū)域能夠迅速進(jìn)行下一幀圖像的曝光。由此跨幀相機(jī)不但實(shí)現(xiàn)了兩次光脈沖曝光分別記錄在相繼的兩幀圖像上，并且保證了兩次光脈沖的時(shí)間延時(shí)(Δt)可以調(diào)整，目前時(shí)間延時(shí)最小可達(dá)到200 ns，滿足高超聲速流場(chǎng)測(cè)量需要。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，頭部切角為0°和30°氣流輸運(yùn)部件的流場(chǎng)中都存在明顯的激波和激波誘導(dǎo)的大尺度分離區(qū)結(jié)構(gòu)，氣流輸運(yùn)部件表面的分離區(qū)中還存在間歇性出現(xiàn)的大尺度渦結(jié)構(gòu)。

PIV測(cè)定實(shí)驗(yàn)中獲得了氣流輸運(yùn)部件附近速度分布即速度分布云圖。由頭部為0°切角和30°切角氣流輸運(yùn)部件的瞬態(tài)紋影圖像和PIV速度云圖(圖8和圖9)可以看出，頭部帶0°切角和30°切角氣流輸運(yùn)部件頭部激波形態(tài)基本一致，激波為典型的弓形曲線激波。這一發(fā)現(xiàn)與前期研究中的假設(shè)不一致，可見以前在氣流輸運(yùn)部件能耗計(jì)算中簡(jiǎn)化氣流輸運(yùn)部件頭部激波為一道等效楔形體產(chǎn)生的斜激波不符合實(shí)際氣流輸運(yùn)部件與原流場(chǎng)相互作用規(guī)律。

圖8 頭部30°切角管PIV測(cè)得速度云圖和瞬態(tài)紋影結(jié)果

圖9 0°切角氣流輸運(yùn)部件PIV測(cè)得速度云圖和瞬態(tài)紋影結(jié)果

兩種氣流輸運(yùn)部件頭部后方都存在著一定的邊界層大尺度分離區(qū)結(jié)構(gòu)，對(duì)比圖8和圖9可知，當(dāng)頭部切角為30°時(shí)，其邊界層更貼近壁面，分離區(qū)明顯變小，但是也依然存在一定的分離現(xiàn)象。

同時(shí)，從圖8和圖9中也可以直接測(cè)量出氣流的偏轉(zhuǎn)角，再根據(jù)斜激波關(guān)系式:

(5)

其中：α為氣流偏轉(zhuǎn)角；β為激波角；Ma1為激波前氣流馬赫數(shù)；γ為氣體絕熱指數(shù)。

由此可以計(jì)算出當(dāng)氣流輸運(yùn)部件頭部切角為0°時(shí)，激波中段位置處的激波角為14.08°；當(dāng)氣流輸運(yùn)部件切角為30°時(shí)，激波中段位置處的激波角為12.99°。

圖10所示為0°和30°切角氣流輸運(yùn)部件距離氣流輸運(yùn)部件頭部4 mm處PIV測(cè)得速度分布，即流向速度沿法向分布圖。從圖10中可以看出，在氣流輸運(yùn)部件近壁面區(qū)域，氣流速度有所下降，整體分布曲線形式接近對(duì)數(shù)律曲線分布，說明在氣流輸運(yùn)部件附近氣流存在一定的湍流流動(dòng)狀態(tài)。進(jìn)行切角處理后(30°)，氣流輸運(yùn)部件近壁面區(qū)域，氣流速度下降更為明顯，氣流速度較不進(jìn)行切角處理的氣流輸運(yùn)部件降低約5%。代入這一不同速度分布可以計(jì)算出切角處理和不進(jìn)行切角處理兩種氣流輸運(yùn)部件能耗的變化情況。

圖10 0°和30°切角氣流輸運(yùn)部件PIV測(cè)得速度分布圖

斜激波的強(qiáng)度正比于其激波角的大小，因此當(dāng)氣流輸運(yùn)部件頭部有切角時(shí)，其頭部激波強(qiáng)度弱于無切角時(shí)，但并不像前期推測(cè)的那樣激波角發(fā)生極大的改變。采用文獻(xiàn)[3]中類似方法對(duì)激波角差別為約1～2°時(shí)，氣流輸運(yùn)部件能耗進(jìn)行計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)能耗差別不足1 W，激波形態(tài)的差別不是造成氣流輸運(yùn)部件耗改變的主要原因。這一點(diǎn)也與前期推測(cè)不一致。

在二維條件下，Q值與渦量和應(yīng)變率張量有關(guān)，Q值為正代表存在著渦結(jié)構(gòu)。從兩種氣流輸運(yùn)部件實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的速度分布計(jì)算出的Q值云圖(圖11和圖12)可以看出，在氣流輸運(yùn)部件頭部產(chǎn)生的激波后側(cè)，存在較大的渦結(jié)構(gòu)區(qū)域，并存在著一定的間歇性，在向下游移動(dòng)的過程中，渦結(jié)構(gòu)逐步變?nèi)?。渦結(jié)構(gòu)與斜激波中段位置相距約2 mm，由產(chǎn)生明顯渦結(jié)構(gòu)位置判斷，氣流輸運(yùn)部件頭部附近出現(xiàn)的間歇性渦結(jié)構(gòu)可能是由氣流輸運(yùn)部件頭部激波誘導(dǎo)產(chǎn)生的，但還需要后期通過進(jìn)一步的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

圖11 0°切角氣流輸運(yùn)部件Q值分布圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，頭部帶30°切角的氣流輸運(yùn)部件的渦強(qiáng)度弱于頭部無切角氣流輸運(yùn)部件，且頭部帶30°切角的氣流輸運(yùn)部件其流場(chǎng)的渦結(jié)構(gòu)向流場(chǎng)下游延續(xù)的區(qū)域和長(zhǎng)度均短于頭部為0°切角氣流輸運(yùn)部件。

計(jì)算氣流輸運(yùn)部件頭部上方5 mm位置處的渦量值，X軸方向的渦量值對(duì)比示于圖13，其中橫坐標(biāo)為沿流向即X軸方向位置，縱坐標(biāo)為對(duì)應(yīng)位置渦量。從中可以看出，頭部有切角的氣流輸運(yùn)部件的渦量小于頭部無切角的，渦量平均減小了10%。渦量的變化明顯，說明頭部切角的存在直接影響著氣流輸運(yùn)部件與原流場(chǎng)作用強(qiáng)度。

代入存在不同渦結(jié)構(gòu)(頭部形狀不同：存在切角和不存在切角兩種情況)時(shí)速度分布，兩種頭部形狀氣流輸運(yùn)部件近壁面區(qū)域，氣流速度均有所下降，整體分布曲線形式均接近對(duì)數(shù)律曲線分布，存在切角時(shí)近壁面處速度較不存在切角時(shí)平均下降3%～5%。計(jì)算氣流輸運(yùn)部件能耗會(huì)發(fā)現(xiàn)，頭部帶有切角氣流輸運(yùn)部件能耗減小15%～20%左右。判斷渦結(jié)構(gòu)的存在及其形態(tài)是影響氣流輸運(yùn)部件能耗的主要原因，頭部進(jìn)行切角處理后，氣流輸運(yùn)部件的能耗能夠滿足應(yīng)用要求。氣流輸運(yùn)部件的能耗與其附近流場(chǎng)直接影響著同位素生產(chǎn)專用設(shè)備運(yùn)行參數(shù)(主要指內(nèi)部同位素氣體流量和壓力)的可調(diào)節(jié)范圍,超出一定范圍同位素生產(chǎn)專用設(shè)備會(huì)出現(xiàn)運(yùn)行速度下降等問題，影響其使用，而同位素生產(chǎn)專用設(shè)備的物理性能會(huì)隨著這些運(yùn)行參數(shù)發(fā)生改變,各參數(shù)保持在一定范圍內(nèi)，可以使得同位素生產(chǎn)專用設(shè)備的物理性能達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)指標(biāo)。氣流輸運(yùn)部件頭部進(jìn)行切角處理后，由于如前所述能耗的降低，在目前設(shè)計(jì)型號(hào)同位素生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行中可以調(diào)節(jié)同位素氣體壓力至未進(jìn)行切角處理時(shí)的2～3倍，該同位素生產(chǎn)設(shè)備仍然能夠保持穩(wěn)定運(yùn)行，不會(huì)出現(xiàn)運(yùn)行速度降低的情況，而在一定范圍內(nèi)對(duì)同位素氣流壓力值進(jìn)行提高優(yōu)化后(約5 000～20 000 Pa)，同位素生產(chǎn)設(shè)備整體能耗減小約30%～50%。

3 結(jié)論

(1) 由于設(shè)計(jì)了錐度為1∶3到1∶5的變徑部分，氣流輸運(yùn)部件在其變徑區(qū)域氣流速度發(fā)生較大變化，同時(shí)與壁面發(fā)生作用，產(chǎn)生擾動(dòng)，此擾動(dòng)影響距離達(dá)到約10 mm。代入計(jì)算所得速度分布對(duì)氣流輸運(yùn)部件(變直徑管)的內(nèi)壁摩擦能耗進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)能耗較假設(shè)變直徑部分內(nèi)部速度分布為線性分布時(shí)增加約1%，但綜合部件外部情況，整體能耗較不設(shè)計(jì)變徑區(qū)域即為普通圓管時(shí)會(huì)減小約30%～50%。

(2) 氣流輸運(yùn)部件頭部激波為典型的弓形曲線激波，進(jìn)行切角處理并沒有明顯改變氣流輸運(yùn)部件頭部激波性質(zhì)。

(3) 氣流輸運(yùn)部件頭部壁面附近存在明顯的邊界層和分離區(qū)結(jié)構(gòu)。渦結(jié)構(gòu)的存在及其形態(tài)是影響氣流輸運(yùn)部件能耗的主要原因，頭部進(jìn)行切角30°處理后，氣流輸運(yùn)部件的能耗減小15%～20%，可以在專用設(shè)備中使用。氣流輸運(yùn)部件頭部進(jìn)行切角處理后，由于能耗的降低，在目前設(shè)計(jì)型號(hào)同位素生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行中可以調(diào)節(jié)同位素氣體壓力至未進(jìn)行切角處理時(shí)的2～3倍，該同位素生產(chǎn)設(shè)備仍然能夠保持穩(wěn)定運(yùn)行，不會(huì)出現(xiàn)運(yùn)行速度降低的情況，而在一定范圍內(nèi)對(duì)同位素氣流壓力值進(jìn)行提高優(yōu)化后(約5 000～20 000 Pa)，同位素生產(chǎn)設(shè)備生產(chǎn)性能可以提高30%～50%。