頂桿型線對泄放水調節閥流量特性的影響研究

紀繁祥，楊夢珂，周 杰

（哈爾濱工程大學核安全與仿真技術國防重點學科實驗室，哈爾濱 150001）

頂桿型線對泄放水調節閥流量特性的影響研究

紀繁祥，楊夢珂，周 杰

（哈爾濱工程大學核安全與仿真技術國防重點學科實驗室，哈爾濱 150001）

泄放水調節閥流量特性關系到泄放水蒸發器能否正常工作。為了研究頂桿型線對泄放水調節閥流量特性的影響，采用CFD方法對采用不同頂桿型線的調節閥的流量特性進行了數值模擬，并對結果進行了試驗驗證。結果表明，將圓柱頂桿側面對稱銑出5%斜面可大大改善調節閥流量特性的線性度，在此基礎上加裝環套可使閥門在全開度范圍內都具有良好的線性流量特性，將帶5%對稱斜面的頂桿，在斜面終點銑出弧形凹槽可使閥門具有良好的等百分比流量特性。與試驗結果對比，基本可以確定計算結果的有效性。

調節閥；型線；CFD；流量特性

泄放水系統是核動力裝置二回路系統的重要組成部分，其功能是接受蒸汽發生器排污水，對蒸汽發生器工質進行凈化回收［1］。泄放水系統首先將高溫高壓的排污水減壓，然后將其排入泄放水蒸發器，在此過程中需要根據泄放水蒸發器的排污能力控制進入蒸發器排污水的流量，這一功能是靠泄放水調節閥來實現的。

針對以往泄放水調節閥響應慢、精度低、穩定性差、故障率高、彈簧整定困難等缺點，哈爾濱工程大學設計了一種新型泄放水調節閥。它利用了伺服液壓原理借助流體壓差來產生驅動力。孫小波［2］、鄭紅麗［3］等人利用ANSYS軟件對該閥進行了穩態模擬，并計算了閥體強度；于明銳［4］對該閥進行了試驗研究，考察了該閥的動態響應特性與動作可靠性。但對于調節閥流量特性的優化與改進研究不多，因此，本文對頂桿型線對調節閥流量特性的影響進行了分析，利用CFD軟件Fluent對裝有不同型線頂桿的調節閥進行了數值模擬，最后與試驗結果進行了對照。

1 幾何模型

由于我們只關心調節閥的流量特性，所以在建模時可忽略除進出口流道及節流口以外的部分（圖1）。在Pro/E中建立流道模型時，由于流道比較復雜，為了方便劃分網格，忽略了一些被認為對流量特性影響不大的倒角、圓角和一些細小的面。

圖1 流道模型Fig.1 Channel model

共建立了12種不同線型的頂桿（圖2）。模型1是圓柱形頂桿。模型2在側面對稱銑出4°斜面。模型3在側面對稱銑出5°斜面。模型4在3的基礎上將斜面起點上移3mm。模型5在4的基礎上加了間隙0.5mm高4mm的環形套。模型6是在2的基礎上加了間隙0.5mm高4mm的環形套。模型7在5的基礎上將間隙改為0.1mm。模型8在7的基礎上在套上做了2×1mm倒角。模型9將倒角改為1×1mm。模型10將倒角下加了1mm。模型11在10的基礎上在上部加了曲率2mm的圓倒角。模型12在9的基礎上將斜面起點上移10mm并加了曲率5.3mm。

圖2 模型結構簡圖Fig.2 Model structure diagram

2 網格劃分

根據計算區域的特點，在Gambit進行網格劃分時采用混合網格來適應復雜流道。

為保證計算精度，聯系本研究的具體要求，對頂桿及其周圍的流場重點加密，其他部分如閥頭、環套局部加密，而對于進出口流道和頂桿上部，流道形狀規則，可以不加密，以避免增加不必要的計算量。經過多次嘗試，根據計算結果不斷調整參數，選定了比較滿意的參數設置。

最終劃分的網格數在100萬左右，一半的網格扭曲率都控制在0.5以下，幾乎全部的網格扭曲率都控制在0.8以下，可以滿足計算精度的要求。

3 數值計算

網格劃分完成后，使用Fluent軟件進行數值計算。

3.1 計算模型的選擇

因為在本文中，流體可以認為是不可壓流體，因此采用壓力基求解器，選SIMPLE算法。

3.2 湍流模型的選擇

根據實驗數據，選擇RNG雙方程模型，壁面函數選擇標準壁面函數。

3.3 邊界條件及物性參數的選擇

邊界條件包括流動變量和熱變量在邊界處的值，是CFD問題的關鍵。

表1 邊界條件Tab.1 Boundary conditions

根據所給資料，可以確定的參數包括入口壓力、出口壓力等等。因此，采用壓力入口、壓力出口的邊界條件，壁面條件保持默認。具體的設定參數如表1所示。

由于計算涉及熱態，因此其溫度分別有兩個設置。冷態在300K下設置，熱態在495K下設置，即2.4MPa下的飽和溫度。水的物性參數如表2所示：

表2 水的物性參數Tab.2 Physical property parameter of water

設置收斂判據，其中能量的收斂判據設為10-6，其他設為10-3。由于本文關心的主要內容是流量特性，因此再增加一個監視器監視入口流量，如果顯示出入口流量不再變化，則可認為計算結果已收斂而終止計算。設置迭代的次數為2 000次。在實際計算過程中，一般來說迭代的次數在1 000次以內就可結束。

4 結果分析

對不同頂桿型線下的計算結果進行分析，從而選出具有良好的線性和等百分比流量特性的頂桿型線。

4.1 頂桿型線的選擇

4.1.1 圓柱形頂桿

圓柱體頂桿對應的流量特性曲線如圖3所示：

圖3 圓柱頂桿的流量特性曲線Fig.3 Flow characteristics curve of cylinder mandrill

觀察圖像可以發現，兩種狀態下調節閥的流量特性曲線線性度都不太好，因此可以說對于圓柱頂桿，在全開度范圍內調節閥都不具有良好的線性特性。

4.1.2 4°傾角斜面的頂桿

根據以往的工程實踐，把頂桿銑出對稱的斜面有助于改善流量特性的線性度。斜面與頂桿中線的夾角一般為4°～5°。根據對速度云圖和壓力云圖的分析，斜面可以顯著減小頂桿處流體的壓強梯度和速度梯度，因此對流量特性的改進有一定的作用。

4°斜面計算得到的流量曲線如圖4所示：

圖4 4°傾角頂桿的流量特性曲線Fig.4 Flow characteristics curve of 4°inclination mandrill

可以得出如下結論:其一，斜面的存在使得流量特性曲線在回歸直線兩側的波動有所緩解，流量特性曲線的線性度有所改善，如果只考慮10%開度～90%開度這一區間內的流量曲線的話，可以發現斜面的存在使得流量特性曲線在這一開度區間內比較符合線性；其二，但是在小開度（10%開度以下）和大開度（90%開度以上）時，流量的值偏離回歸直線的程度比較大。

4.1.3 5°傾角斜面的頂桿

由于上面的頂桿型線對于小開度（小于10%）和大開度下（大于90%）情況時流量特性比不令人滿意，考慮到工程實踐的經驗將斜面與頂桿中線的角度更改為5°，其他部分不作更改。

由伯努利方程可知，在相同的壓降下，對于同一種工質，調節閥的流量大小與最小截面的面積成正比。傾角的增大，使得流道最大截面變大。針對4°傾角頂桿的問題，這樣的改動可以增大在大開度時的流量，對于大開度下頂桿流量特性的改進有一定幫助，較大開度時流量的增大，對于小開度下流量偏大的問題也有一定幫助。流量特性曲線如圖5：

圖5 5°傾角頂桿的流量特性曲線Fig.5 Flow characteristics curve of 5°inclination mandrill

觀察圖5可以發現，對于5°傾角的頂桿型線來說，其線性度已經較好，達到了R2=0.9879的水平。尤其在較大開度（從60%～100%）基本上達到了直線特性的要求。但小開度下偏離線性特性的問題依然存在，通過與圖4對比，其偏離程度有所減小，但差別并不大。綜合考量下，可以認為5°傾角的頂桿線性度雖然好于4°傾角的頂桿，但仍可進行進一步改進。

4.1.4 對5°角斜面的頂桿的改進

通過對上面兩種頂桿型線的分析，我們發現，兩種型線流量特性偏離線性的主要原因之一都是小開度下流量過大。鑒于流量與流道截面積成正比，改進的方案是減小在小開度下的流道截面積，或者增大大開度下的流道截面積?？紤]到頂桿加工的工程實踐，而且截面積需要有一個相對平緩的過渡過程，以避免流道及面積的突然變化導致流量的突變影響線性度，決定將頂桿的形狀做如下改動：其他不變，但是將斜面的起始點向上移動3mm，以達到減小小開度下流道截面積的目的。流量特性曲線如圖6。

圖6 起點上移后的流量特性曲線Fig.6 Flow characteristics curve after starting point moving up

在進行改進以后，在30%開度以上的區間內，流量特性曲線幾乎就是一條直線。但是在10%小開度下的流量數值線性度依然不好。通過對這一組數據的分析，可以看出單純的改變小開度下的流量并不能很好的改變其流量特性。

4.2 加套頂桿

通過上面的計算和分析，我們假設在總體上減小各個開度下的流量值，從而提高流量特性曲線線性度是可行的。減小流量的方法是減小流道截面積，有兩個可行的方案，一是在頂桿周圍加套，二是增大頂桿直徑?？紤]工程實際，決定采用第一個方案。

套不加倒角，套與5°頂桿下部直徑最大處的間隙為0.5mm，此時得到的流量數據線性度很差。于是將頂桿斜面改為4°，重新計算得到的流量特性曲線如圖7所示：

圖7 4°傾角加套的流量特性曲線Fig.7 Flow characteristics curve of jacketed 4°inclination

可以看出這種情況下的線性度依然很不理想。由此得出結論，不論頂桿形狀如何，這種套與頂桿最小間隙為0.5mm的情形都不符合線性度良好的要求。因此對頂桿周圍的套進行改進，將其與頂桿直徑最大處的間隙調整為0.1mm，取斜面與頂桿中線的角度為5°，斜面起始點與頂桿底部相距3mm。流量特性曲線如圖8所示：

圖8 間隙為0.1mm時的流量特性曲線Fig.8 Flow characteristics curve when the interstice is 0.1mm

可以發現，套與頂桿之間的間隙變小對于減小各個開度下的流量值有著極其顯著的作用。但是，在10%開度時的流量還是明顯偏大，導致在低開度下的流量特性仍不符合線性度的需要。而在30%開度以上，流量特性曲線與線性趨勢線幾乎是重合的，符合要求。

針對這個問題，我們做出如下嘗試:將間隙為0.1mm套的下部加一個尺寸為高度2mm，寬度1mm的倒角。這樣的改動有助于將最小截面積的位置向大開度的位置移動，對于大開度下的流量增大有一定幫助，從而改善閥門的流量特性。得到的流量特性曲線如圖9所示：

圖9 倒角高度為2mm時的流量特性曲線Fig.9 Flow characteristics curve when chamfer height is 2mm

可以看出在小開度下的流量值依然偏離線性的要求比較大。我們做出如下嘗試:保持其他的尺寸不變，將套的倒角的尺寸更改為1mm×1mm，將這個形狀下的流量特性曲線與圖3.17所示的流量特性曲線相對比，得到圖10：

圖10 兩種倒角流量特性的對比Fig.1 0 Comparison of two chamfer flow characteristics

可以看到，雖然小尺寸倒角的套所對應的流量特性曲線線性度稍有改善，但是都沒有能夠完美的解決小開度下流量偏大的問題，還需要進一步的改進。

把上面所述1mm×1mm的倒角下部加一部分套，間隙不變。這樣可以減小小開度時的流道截面積，改善流量特性的線性度。流量特性曲線如圖11:

圖11 最終型線下的流量特性曲線Fig.1 1 Flow characteristics curve of the final lines

我們可以看出，雖然與標準的線性流量特性曲線有一定差距，但是R2=0.9842，與標準的線性曲線相差已經不大，至此，可以認為該調節閥的流量特性已經滿足線性的要求。

4.3 等百分比流量特性的頂桿型線

在實際運用中，等百分比流量特性單位行程變化引起單位流量變化的百分率是相等的，小開度小流量下放大倍數小，大開度下放大倍數大，使得整個調節過程比較平穩，工作更為靈敏有效。在使用中常以等百分比特性代替拋物線特性。

考慮到該閥門在實際應用中的需要，頂桿的形狀首先選取的是在圖3.11中形狀的基礎上，將斜面的上部加一個曲率半徑為2mm的倒圓角，其流量特性曲線如圖12：

圖12 加圓倒角的流量特性曲線Fig.1 2 Flow characteristics curve of chamfer combining a cylinder

圖13 改進后的流量特性曲線Fig.1 3 Flow characteristics curve after improvement

顯然，這種流量特性曲線與等百分比流量特性曲線相去甚遠，與線性或者快開特性更為相近?？紤]到上面線性流量特性的研究歷程，相對于線性流量特性，等百分比流量特性提出的要求是小開度下的流量變化率變小，大開度下的流量變化率增大。由此提出猜想，如果在頂桿下部加一個較長的圓柱形段，同時加套，應該對流量特性的改善有所幫助。改進后的流量特性曲線如圖13:

可知流量特性曲線達到了等百分比流量特性，且達到了R2=0.9991的高水平。其偏離標準等百分比流量曲線的原因是整體上流量值偏大。考慮到具體的工程實踐，此處套與頂桿的最小間隙已經是0.1mm的水平，進一步降低總體流量十分困難，而且已經滿足設計要求，可以認為達到了設計初衷。

5 結論

本文采用CFD方法，計算了不同頂桿型線對泄放水調節閥流量特性的影響，得出以下結論：

A.型線采用方案10可以保證調節閥具有良好的線性流量特性。

B.型線采用方案12可以保證調節閥具有良好的等百分比流量特性。

C.模擬值與試驗值有一定的誤差，但當模擬值出現較好的線性時，試驗值也得到了較好的線性，證明了模擬實驗對實際的設計工作有一定幫助。

［1］ 劉春林，韓燦峰，姚文東，等.泄放水系統管路三通失效原因分析及對策［J］.艦船科學技術，2009，31（12）:46-49.

［2］孫小波.泄放水調控系統研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工程大學，2012.

［3］ 鄭紅麗.泄放水蒸發器水位調控系統調節閥的研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工程大學，2013.

［4］ 于明銳，周杰，韓偉實.新型泄放水調節閥工作特性試驗研究［J］.中國造船，2015，（1）:189-195.

Study on the influence of shape of control valve on flow characteristics

JI Fan-xiang，YANG Meng-ke，ZHOU Jie
（Fundamental Science on Nuclear Safetyand Simulation Technology Laboratory，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China）

Vent drain valve flow characteristics related to the evaporator drain drainage is working properly.In order to study the jack type of vent line drainage regulating valve flow characteristics，the use of CFD methods with different flow characteristics jack type line regulating valve was simulated，and the results were verified by experiments.The results showed that the cylinder ram side milled 5%symmetrical ramp can greatly improve the linearity of the valve flow characteristics；on this basis，the installation of the valve within the collar can have a full range of good linear flow characteristics；will take 5%symmetric slant ram at the end of ramp milled arcuate recess can have good equal percentage valve flow characteristics.Comparison with experimental results，which can be calculated to determine the validity of the results.

Control valve；Shaped line；CFD；Flowcharacteristics

TL353.11

A

1674-8646（2016）16-0004-05

2016-06-21