對沖式核級閥流場與壓力分布的數值模擬

原子能是一種高效的能源，在世界能源的組成中發揮著不可忽視的作用。因此，核計算機化的安全問題也被提到了新的水平。核電站水力系統屬復雜大型水力控制系統,系統中許多位置嚴禁逆流現象發生,否則可能導致嚴重事故,因此,系統中需大量止回元件。止回閥是流體控制工程中的重要安全元件,它通過截止流體逆流來保證流體定向流動,從而保護其他流體機械及管線的安全。因此,在核電站水力系統中各種止回閥被大量使用,如旋啟式止回閥。旋啟式止回閥有一圓盤式的塞子鉸接在邊緣上,通過回流關閉。由于它具有設計簡單、價格低、經濟性好、可靠性高、日常維修方便且尺寸范圍廣泛等優點,該閥門在核能系統中被廣泛使用,由于活塞猛然關閉撞擊閥體產生的超壓已被作為實驗測量和模型的課題來研究。由此可見,傳統止回閥的運動部件(即閥頭或閥瓣)在做啟閉運動時速度往往很快,這是閥門自身功能特性所必需的。但過快的啟閉會在止回閥閥頭附近引起瞬間的液體壓力波動(水擊現象),其峰值通常能達到管道正常壓力的數倍以上,還會因反射水擊波使系統發生嚴重震蕩;另一方面,閥瓣的過快運動會直接引起它與閥體的撞擊,在管線流量或流速很大的情況下,這種撞擊嚴重影響止回閥壽命,甚至直接使之破壞失效。對閥門的啟閉過程進行動態仿真可很好地了解閥門在開啟和關閉過程中內部流場、壓力分布及閥門各位置的受力情況,為閥門的設計改進與可靠性分析提供依據。Leutwyler等通過CFD軟件計算扭矩和力,對碟盤閥二維模型進行了模擬;朱奇等對百萬千瓦汽輪機的主調節閥在不同開度下的穩態與非穩態流場進行了分析;McElhaney從設計角度分析了止回閥的運動特性;韓旭等對對沖式止回閥全開關閉狀態時各種逆流流量下閥門內部的流場、壓力分布和閥頭受力情況進行了穩態仿真模擬。目前,對止回閥的仿真模擬,特別是應用動網格技術對其啟閉運動特性進行實時仿真的研究很少。對沖式止回閥從閥頭受力機理上對傳統止回閥進行了結構改進,利用差動活塞實現閥頭與流體的對沖運動。所謂對沖運動是指閥頭的運動方向與流體的運動方向相反,止回閥在流體順流時能快速開啟,在流體逆流時閥頭能與流體相互形成阻尼,并完成關閉運動。因此,閥頭與閥座的撞擊力大幅減小,流體的水擊現象也得到了顯著減緩。通過壓差控制閥頭自動運動,是對傳統止回閥的技術性改進,但其導流管喉部由于孔道較小,流體流過此處時會出現射流現象,導致局部流速過大,對閥頭沖擊不穩定,從而影響閥門工作的穩定性。本文對該閥進行局部分析,通過動態模擬,得到閥門逆流關閉過程中導流管喉部的流場、壓力等參數的分布情況,從而分析其結構性對整個閥門的影響。1主框架和模型的構建1.1流管頂部互通對沖式止回閥的結構示于圖1。該閥門由閥體、帶閥座的套管、支架、導流管、閥頭、活塞、軸承、后蓋、整流罩和彈簧等部分組成。當流體順流時,與導流管喉部相通的前腔室為低壓區,活塞另一側腔室及閥門入口通道部分為高壓區,因活塞直徑大于閥座直徑,所以作用于活塞上的合力指向入口方向,閥頭向入口方向移動,閥門打開。閥頭的移動方向與流體流動的方向相反。當流體逆流時,與導流管喉部相通的前腔室為高壓區,活塞另一側腔室及閥門入口通道部分為低壓區,且活塞直徑大于閥座直徑,所以作用于活塞上的合力指向出口方向,閥頭向出口方向移動,閥門關閉。閥頭的移動方向與流體的流動方向相反。1.2ujphxjv本文研究的閥門內部流場為湍流,其控制方程如下。連續性方程:??xi(ρui)=0??xi(ρui)=0式中:xi為坐標分量;ρ為流體密度;ui為速度分量,m·s-1。動量方程:??t(ρui)+??xi(ρuiuj)=-?p?xi+??xj(v??xj(ρui)-ρˉu′iu′j)采用標準k-ε方程處理雷諾應力項-ρu′iu′j封閉問題。湍流動能k方程:ρdkdt=??xi((μ+μtσk)?k?xi)+p-ρε湍流耗散率ε方程:ρdεdt=??xi((μ+μtσε)?ε?xi)+C1εεkp-C2ερε2k其中:t為時間,s;p為修正壓力;μ為動力黏度;μt為湍流黏性系數;在FLUENT中,作為默認值常數,C1ε=1.44,C2ε=1.92,湍流動能k與耗散率ε的湍流普朗特數分別為σk=1.0,σε=1.3。在本文中,方程的離散采用有限體積法的全隱格式,進出口均為壓力邊界條件,在模擬時給定進出口的總壓差,壁面視為無滑移邊界條件。1.3局部流場分析本文利用Gambit對止回閥進行二維建模及網格劃分,模型共包含65.79萬個網格,圖2示出網格數為2.68萬的模型網格示意圖。由于模型具有對稱性,為節約計算機資源,提高運算速度,最終僅選用對稱軸一側的半個模型進行局部流場分析。在每一時間步長內,每一節點上的速度和位置均與周圍的框架通過對流相關聯,并通過運動方程進行精確計算。每一節點上速度和位置通過移動邊界位置來分配,且需一統一的網格尺寸來指導邊界運動。移動邊界附近的網格會不斷地以給定間隔生成與清除,以避免網格過度扭曲。下面分析閥門逆流關閉過程中導流管所連通的腔室內的壓力與流場的變化規律。2壓力和流場分布規律2.1閥門關閉狀態當流體逆流時,沖壓管開口處于閥出口處的高壓區。逆流時,閥門全開、全閉狀態下內部流體區域壓力分布示于圖3。由圖2和圖3a可見,閥頭前部的壓力較低,即A區的壓力大于C區的,進而大于B區的,且活塞直徑大于閥頭直徑,所以作用于活塞上的合力指向關閥方向,閥頭向下游移動,移動方向與流體的流動方向相反,最終閥門關閉。當閥門完全關閉時,整個閥頭后面的連通區域均為高壓區(圖3b)。用FLUENT動網格模擬閥門逆流關閉過程,最終的收斂結果是小范圍反復震蕩,即閥門在很小的開度范圍內進行小幅度震蕩,這種震蕩符合收斂標準,因此,圖3b中所示閥門關閉狀態并非完全關閉,而是有一很小的開度。圖4示出逆流壓差30kPa時閥門關閉不同時刻高壓腔內的壓力分布等值線圖。在整個關閉過程中,高壓腔內的壓力不斷升高,在0.05s時刻,高壓腔內的壓力分布并不均勻,隨著時間的推移,其均勻性越來越好,到0.75s時已較均勻。在此過程中,閥頭的運動速度先隨著前后壓差的增大迅速增大,隨著閥門開度的減小,圖2中C區的壓力也不斷增大,閥頭與流體間的阻尼不斷增大,再疊加聯接活塞的彈簧拉力,其合力使閥頭運動速度減緩,大幅減小了流體的水擊現象,從而減小了閥門震動及磨損,提高了安全性,這是該種對沖式止回閥功能特性方面的顯著優點。2.2瞬態液動力不均勻系數k在整個閥門結構中,沖壓管喉部由于流道面積較小,可預測流體流過此處時會出現射流,與周圍流體之間發生強烈的剪切作用,從而產生旋渦運動。圖5示出閥門關閉過程中不同時刻高壓腔內流體的速度等值線分布。圖5中用壓力場來表征速度場。圖5證實了以上推測:起初速度很大,對孔道的迎流面沖擊很大,在高壓腔內形成濺射,邊角處形成了流動死區,濺射中心區形成很強的旋渦(圖5a、b尤為明顯);隨著閥門開度的減小,速度不斷減小,濺射程度減弱,速度方向變得單一化,腔體大部分空間則形成強度較弱的大渦。除圖5a外,活塞端面和腔體內側的速度均很均勻且速度較小,腔室內壁未受到太大的沖擊,說明沖壓管孔道對閥門關閉過程的穩定性影響不大。圖6示出不同進出口壓差條件下閥門關閉的不同時刻,沖壓管喉部射流速度隨時間的變化。由圖6可看出,喉部射流速度變化呈現3個階段:第1階段為迅速上升階段,對應閥門關閉的初始階段,即閥頭加速運動階段;第2階段為減速階段,在這段時間內由于流道變窄引起流體、活塞阻尼增加,在彈簧拉力的共同作用下,導致閥頭運動受阻,速度逐漸減小;第3階段為穩定段,這段時間內閥門即將關閉,流道更加狹窄,閥頭在小范圍內做阻尼運動,直至關閉。由于FLUENT的動網格不可能模擬完全關閉時刻的瞬間狀態,必需留有很小的開度,所以速度最終會穩定在一較小的值。進出口壓差為20kPa時,喉部平均速度和最大速度均最低,30kPa時最大,之后隨著逆流壓差的增大,最大速度不斷減小,喉部射流速度越小,閥門受到的沖擊越小。出現這種現象的原因是存在阻塞流:進出口壓差較小時不會出現阻塞流,此時喉部的射流速度隨壓差的增大不斷增大,當壓差達到某一值后沖壓管喉部與腔體相連的部分會出現阻塞流,且隨著進出口壓差的不斷增大阻塞流越明顯,從而導致喉部的射流速度隨逆流壓差的增大而減小。定義瞬態液動力不均勻系數來表示某個面上受力的不均勻性。所謂瞬態液動力即為運動過程中某一瞬時液體給予某受力面的推動力。假設某個面上受力的平均值為fave,局部最大值為fmax,局部最小值為fmin,則不均勻系數k由下式求得:k=|fmax-fmin|fave從活塞端面(HD)所受的瞬態液動力不均勻系數方面分析,整個閥門關閉過程分為3個階段:第1階段為不均勻性快速降低的過程,在這一階段,閥頭運動速度快速增大,因為此階段閥頭前部(FQ)流道較寬敞,流動阻力小,而HD壓力相對較高,因此閥頭前后壓差較大,閥頭所受合力相對較大,導致其運動較快;第2階段為大幅震蕩期,隨著FQ流道變窄,流動阻力增加,HD處流體流速減小,致使閥頭所受瞬態液動力減小,閥頭減速,高壓腔內的流體與HD相撞轉向形成大渦,導致HD瞬態液動力不均勻性大幅震蕩,漩渦形成的劇烈擾動是水頭損失的主要原因,故可考慮適當優化導流管喉部結構以減小漩渦的范圍,從而減小能量損耗;第3階段為小幅震蕩最終平穩閉合,產生的原因是閥門開度已很小,FQ僅剩余很窄的通道,此時閥門徹底關閉需一較大的液動力,閥頭的運動形式為阻尼振蕩,直至閥門徹底關閉。這與圖6所示的沖壓管喉部速度規律相符。通過比較同一階段下的閥頭受力可知,逆流壓差較大時,閥門關閉的第3階段閥頭受力更加均勻,壓差較小時相對較差,因為壓差較小時第2階段振蕩幅度較大。圖7示出不同逆流壓差下的HD瞬態液動力不均勻系數。綜合對圖7的分析結果,本文認為所模擬的對沖式止回閥在逆流壓差較大時工作狀態更穩定,更能突出其優越性。3閥口開口壓降分析1)通過提取閥門逆流關閉過程中高壓腔內的壓力分布云圖得到了整個閥門關閉過程中腔室內部壓力的變化規律。閥門關閉初期,導流管喉部噴射出的流體速度較大,導致高壓腔內的壓力波動較大,隨著閥門開度減小,射流速度不斷減小,高壓腔內的壓力隨之穩步增大,在關閉的瞬間將與出口壓力同步。2)通過對導流管喉部速度參數的分析,發現其對