對沖式止回閥低流量關閉過程動態特性分析

楊志達，陳炳德，黃偉，韓偉實，張志明

(1.中國核動力研究設計院核反應堆系統設計技術重點實驗室，四川成都610041;2.哈爾濱工程大學核科學與技術學院，黑龍江哈爾濱150001;3.中國核電工程有限公司，北京100840)

為了增加動力裝置的生命力，在每條回路中設置了2臺泵，由于這一特殊結構，必須在每臺泵出口處設置止回閥以防止冷卻劑倒流［1］。同時要求閥門的關閉速度不能過快，否則可能會引起嚴重的水錘現象，造成管道、泵等設備的嚴重損壞。另外，還需要止回閥有一定的泄漏量，否則開啟備用回路時會對其造成一定的熱沖擊，引起材料熱疲勞。由此可見，止回閥的作用在動力裝置中非常重要。目前常見的止回閥有旋啟式、雙碟式、升降式、斜碟式，這些止回閥的流體運動方向與閥頭運動方向一致，可能導致嚴重的水錘現象和閥頭與閥座的撞擊。如果流體運動方向與閥頭運動方向相反，則閥頭會與流體相互形成阻尼，將會大大減弱水錘現象和閥頭與閥座的撞擊。本文利用此原理研制了對沖式止回閥，其抑制水錘和閥頭與閥座撞擊能力較好，高流量下啟閉特性較好，但低流量下關閉可靠性不高，需要對其關閉過程的動態特性應用計算流體力學技術進一步研究。

1 模型的建立

圖1為動力裝置實驗系統簡圖，為增加可靠性，設置了2臺泵。當1號泵停閉后開啟2號泵時，1號止回閥應可靠關閉，否則部分冷卻劑會在1號泵和2號泵之間形成小循環，防止造成事故。

圖1 動力裝置系統簡圖Fig.1 Sketch of power unit system

1.1 原理

對沖式止回閥結構圖如圖2［2］，對沖式止回閥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流動方向相反，止回閥在流體順流時能夠快速開啟，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。

圖2 止回閥結構圖Fig.2 Structure map of DC check valve

對沖式止回閥的閥頭關閉驅動力主要是由沖壓腔內側、沖壓腔外側和閥頭前端3個區域所形成的壓差提供的［3-4］。當流體順流開啟時，流體經過閥頭與閥體的節流作用后壓力下降，所以閥頭前端處于低壓區，因沖壓腔內側與沖壓管相通，沖壓管開口處于低壓區，故沖壓腔內側為低壓區，而沖壓腔外側位高壓區，且因活塞直徑大于閥頭直徑，所以作用于閥頭上的合力指向開啟方向，閥門打開。閥頭的移動方向與流體流動的方向相反。

當流體逆流關閉時，沖壓腔內流體速度很低，壓力近似于滯止壓力，所以處于高壓區，而閥頭前端和沖壓腔外側流體速度較快，處于低壓區，且活塞直徑大于閥座直徑，所以作用于閥頭上的合力指向關閉方向，閥門關閉。閥頭的運動方向與流體的流動方向相反。另外，閥座是可活動的，在流體節流作用下，可加速閥門的關閉。

1.2 動力學模型

閥頭上的壓差取決于閥內流場的壓力分布，該壓差產生閥頭賴以完成啟閉動作的驅動力，而閥頭的運動直接影響閥內流場，流場的變化又反過來影響閥內流場的分布。如圖3所示，是利用CFD技術模擬對沖式止回閥啟閉動態過程的程序流程圖，對沖式止回閥的動態過程是一個耦合的閉環過程，需用數值計算的方法求解。

圖3 DC止回閥動力學流程圖Fig.3 Dynamics flow diagram of DC check valve

由于止回閥的結構較復雜，導致其流場、壓力場分布也比較復雜，所以在建立流道時進行了必要簡化。根據圖3中所示壓力分布、閥頭驅動力以及閥頭運動速度的耦合關系，可以得到閥頭閥座的受力方程。閥頭、閥座的受力方程遵循牛頓第二定律，其中閥座比閥頭多彈簧的推力。以下為閥座的力學方程。

根據牛頓第二定律，有

其差分格式和邊界條件為

式中:m為閥座質量，kg;Fflow為流體作用力，N;Fspring為彈簧作用力，N;vi為閥頭在i時刻的速度，m/s;si為閥頭在i時刻的位移，m;k為彈簧系數，N/m。

將以上運動方程編譯成Fluent用戶自定義文件(UDF)程序，與FLUENT相連接定義閥座的運動狀態。閥頭的運動程序參照閥座的運動程序，需將彈簧的系數k定義為零。

1.3 數值計算與邊界條件

采用有限體積法求解，壓力項用標準格式離散，其余都用一階迎風格式離散，壓力速度耦合方式用SIMPLE算法求解。進出口邊界類型設定為壓力進口和出口，進口壓力100 kPa，出口壓力96 kPa。工作壓力設定為 101.325 kPa。計算流體的密度為 998.2 kg/m3，粘性系數為 0.001 N·s/m3。湍流強度 0.03，水力直徑0.28 m，動網格彈性系數 0.8，邊界松弛因子 0.8。

2 動網格的生成

對沖式止回閥在關閉過程中流域形狀不斷發生改變，其動態過程可通過對比不同工況下閥頭、閥座所受的力和速度的變化分析。通過對比不同工況下的冷卻劑流量變化判斷閥門的關閉特性，這樣可確定不同狀態下的閥門工作狀態。利用FLUENT中動網格設置以及歐拉顯式方程編寫UDF程序，通過流場分析對閥頭閥座進行動態分析，可對對沖式止回閥的關閉過程實現動態可視化模擬［6-7］。

2.1 動網格技術

所選的網格為三角形和正四面體，所以采用彈簧近似光滑模型，但此模型不能用于運動變化幅度較大的模型。為了保證網格在更新過程的可靠性，還選用了局部網格重劃模型，確保閥頭、閥座運動較大時網格不出現負體積。

流場控制模型是基于流域固定形狀的情況，當采用動網格技術后，計算區域是變化的，所以要對上述流場控制模型進行改造，即考慮動邊界移動的影響［8-10］，表達式如下:

式中:ρ為液體的密度，kg/m3;u為液體的速度矢量;us為動網格的網格變形速度;Γ為擴散系數;A為控制體表面積;Sφ為通量的源項φ;?V為控制體V的邊界。

2.2 UDF 程序

對沖式止回閥的關閉過程即力的平衡過程，對其進行關閉過程的動態研究，需要首先對其進行受力過程分析，根據止回閥的結構尺寸建立其全開三維實體模型，選擇相應的計算模型，根據閥座和閥頭的運動情況，通過適時地生成和消亡網格更新計算區域，完成閥門關閉過程的模擬。利用牛頓第二定律的歐拉顯式方程式:

式中:vt為t時刻閥頭速度，m/s;vt-Δt為閥頭 Δt時刻前速度，m/s;P為閥頭所受壓強，Pa;A為閥頭面積，m2;F為所受到的反向力，N;m為閥頭質量，kg;Δt為時間間隔，s。由式(12)描述閥頭和閥座運動，通過編譯動網格UDF自定義宏，對每一時間步中的節點位置進行更新。

3 模擬結果及分析

為了研究對沖式止回閥關閥動態過程，模擬了其內部壓力云圖、速度場、流量特性、閥頭閥座受力情況。通過對比不同壓差下閥頭、閥座受力以及速度變化，分析閥頭、閥座的運動情況。通過對比不同壓差下閥門的流量變化判斷閥門的關閉特性，可清楚地了解不同狀態下閥門的工作狀態。模擬中選取的壓差分別為2、3、4、5 kPa 4種情況進行分析。

3.1 閥內的流場分布

如圖4為對沖式止回閥關閉時的靜壓云圖，由圖可以看出，流體流動方向為逆流，止回閥關閉以后，壓力腔、沖壓管內部以及右側管道為高壓區，左側管道為低壓區，如此可保證閥門處于關閉狀態，直到流體向右反向流動時閥門被打開。如果流體運動方向為順流，則沖壓管內部與壓力腔內部為低壓區，靠活塞與閥頭面積之差所產生的力使得閥頭向左側運動。

圖4 對沖式止回閥關閉時的靜壓云圖Fig.4 Static pressure nephogram of DC check valve closed

3.2 流量特性

流量特性是閥門重要性能指標，圖5給出了對沖式止回閥在關閉過程中，不同壓差下閥門關閉時入口流量的數值模擬結果。

由圖5可知，隨著壓差的增大流量變化劇烈。壓差越大，初始流量也越大，剩余流量也越大。從動態過程來看，流量在閥關閉過程中先緩慢變化，然后急劇減小。這是由于閥頭閥座的運動速度逐漸增大所致。在關閉過程結束時，存在剩余流量。這是由于對沖式止回閥關閉過程中，閥頭閥座在閥門開度較小時速度較大，單位時間步長內的運動距離較大而造成的。另一個原因是FLUENT的計算區域必須要有網格，所以只能模擬到閥門開度很小的情況。

圖5 對沖式止回閥流量圖Fig.5 Chart of mass flow rate

3.3 閥頭閥座分析

圖6為4種不同壓差下閥頭、閥座的受力圖，由圖可知隨著壓差的增大，閥頭閥座所受到的力在增大。閥門的開度越小，閥頭閥座力的變化越劇烈。且隨壓差的增大，閥門的關閉時間也越短。

圖6 對沖式止回閥閥頭、閥座受力圖Fig.6 Force diagram of DC check valve head and seat

圖7為閥頭、閥座速度變化曲線，由圖可知，閥頭、閥座速度與壓差和開度有關，隨壓差增大而增大，隨開度減小而增大。

4種壓差下閥頭、閥座受力，閥頭、閥座的最大速度，起始流量及剩余流量的數值如表1所示。

圖7 對沖式止回閥閥座速度圖Fig.7 Velocity diagram of DC check valve head and seat

表1 不同壓差下閥頭、閥座參數Table 1 Parameter of valve head and seat at different pressure

4 實驗結果與分析

實驗按圖1所示的回路建立實驗臺架，2臺泵分別由2臺變頻器控制轉速，從而控制泵流量。測點主要有1、2號閥閥前、閥內、閥后的壓力以及回路的流量。通過這些數據可以對閥的運動特性進行分析。閥的關閉狀態通過3種方法來判斷:

1)通過主環路的電磁流量計進行判斷。通過對比實驗流量和在該頻率下的理論流量來判斷閥的關閉程度，2個值接近時表明閥門已將關閉。

2)通過閥頭關閉時的聲音判斷其運動情況。閥門關閉時會聽見一聲很小的水擊聲，若聽見此聲音則表明閥門已關閉，否則沒有關閉。

3)通過閥體上的觀察孔進行觀察。通過觀察和標記閥頭閥座的位置來判斷。

為得到流量和壓差的關系，選取了流量分別為0、100、200、300、400、500、600 t/h 的節點分析。選取節點上閥前、閥后壓力，計算得出前后壓差，得到表2［11］。

表2 不同流量止回閥前后壓力及壓差Table 2 Pressure before and after valve and pressure difference at different flow rates

實驗的關閉時間大致在5 s左右，比計算時間大很多(計算時間不超過1 s，而且壓差越大，關閉時間越短，壓差為4 kPa時閥門的關閉時間為0.508 s)。這是由于沒有考慮滑動套與沖壓管之間的摩擦造成的，另外，雙泵切換時流體的換向需要一定時間也造成了關閉時間的延遲。

5 結論

通過對對沖式止回閥的動態計算和分析可得到如下結論:

1)閥座的運動對于閥頭受力有很大影響。隨著閥座的關閉運動，閥頭所受的瞬態力逐步增大，閥門的關閉會越來越快，增加了閥門關閉的可靠性。

2)對不同壓差下對止回閥的動態計算結果的分析表明，隨著閥門開度減小，閥頭、閥座受力不斷增大，閥頭、閥座速度不斷增加。閥座受力和速度遠遠大于閥頭受力和速度。閥門所受壓差越大，關閉時間越短。

3)試驗中關閉時間在5 s左右，遠大于計算時間是由于實驗過程閥頭、閥座的運動受到滑動套與沖壓管之間滑動摩擦力的影響，在計算中沒有考慮此影響。另外，雙泵切換有時間差會造成流體換向時間延遲，也會影響關閉時間。

4)低流量下對沖式止回閥關閉的可靠性依然是其面臨的主要問題，還需參數敏感性分析進行優化設計以及實驗兩方面加以解決。

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