基于CFD雙錐面調節閥流道結構特性分析

劉　潔，李靈東

(哈爾濱工程大學 核科學與技術學院，哈爾濱　150001)

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【基礎理論與應用研究】

基于CFD雙錐面調節閥流道結構特性分析

劉潔，李靈東

(哈爾濱工程大學 核科學與技術學院，哈爾濱150001)

針對某雙錐面調節閥，應用三維建模軟件建立閥門內部流道模型，通過CFD進行離散求解，得到調節閥的流量特性曲線，與實驗數據進行了比較。通過改變雙錐面閥芯結構尺寸，再對流道進行數值模擬，得出影響流道結構特性的主要因素。

雙錐面調節閥門；CDF數值模擬；流道結構；特性分析本文引用格式：劉潔，李靈東.基于CFD雙錐面調節閥流道結構特性分析[J].兵器裝備工程學報，2016(9):162-165.

閥門在核電站各個部門有著廣泛的應用，某型核反應堆一回路輔助系統調節閥門是重要零件之一。與穩壓器配合使用，當反應堆冷卻劑系統壓力過高時，比例式噴霧閥開啟，并隨著壓力升高而加大開度，以避免反應堆冷卻劑系統的完整性遭到破壞，使穩壓器壓力回到設計值[1]。該閥門采用流量控制精度高的雙錐面閥芯，2個錐面的幾何尺寸是決定閥門控制調節能力的非常重要的設計參數，傳統的研究手段是采用試驗方法，對閥門的外部特性，如進出口壓力差、流量系數等，進行測量和分析，而對流體在閥門內部流動情況則很難知曉[2-5]。

近年來，為了解閥門內部流場分布，探尋各流動參數的變化規律，計算流體動力學(CFD)技術應用到該領域是一種非常有益的探索。英國GECALSTHOM公司的E.N.Jalmraes(Ceng)工程師對高壓蒸汽渦輪閥門內部三維黏性流場進行了分析，應用高雷諾數的方程模型，并進行不同開度下的穩態模擬計算，獲得了壓力場、速度場分布情況[6]。中國科學院熱物理研究所與北京全三維動力工程有限公司合作，由沈陽等人利用CFD技術對高壓聯合進氣閥內的三維黏性流場進行分析，并對其幾何結構進行了改進，為閥門結構優化提供了重要依據[7]。徐克鵬、蔡虎等人詳細分析了大型汽輪機主汽調節閥閥門內部的流場結構，對流動現象提出了合理解釋，得出了閥門的流量分配關系，能量損失分布情況，討論了能量損失產生的機理，并進行了實驗驗證[8]。

本文采用FLUENT流體分析軟件，對某型雙錐面高精度調節閥進行數值模擬，詳細分析了4種優化雙錐面結構的閥門內部流場特征，數值計算結果與實驗數據進行對比分析。研究結果可為同類閥門的設計和試驗提供借鑒。

1　雙錐面調節閥結構模型

通過三維建模軟件Pro/ENGINEER建立了某型雙錐面高精度調節閥流道模型。該閥門主要由閥體、閥芯、閥座和密封組件等組成。閥門的公稱通徑為DN25，工作壓力為1.6MPa，壓差不低于0.5MPa。如圖1所示。

圖1　雙錐面調節閥內部結構示意圖

調節閥門流道是錐閥腔內的流動空間，即連通進口與出口的空間。圖2所示的流道模型是從圖1中提取的三維模型，由圖2可知，流道進口方向與出口方向之間呈90°夾角，從入口進入閥腔的流體，流經閥芯與閥座構成的節流通道，通過閥體腔，最終從出口流出。

圖2　雙錐面調節閥流道模型

2　仿真計算

2.1劃分計算網格

流道模型建立后，模型的計算網格劃分是非常重要的一步。為保證計算精度，劃分網格時，遵循以下2個原則[9-10]：原則1：不規則結構區域網格密于規則結構區域；原則2：流動強烈區域網格密于緩慢區域。本模型閥芯錐面頭部附近遵照原則1進行加密處理；模型閥座附近遵照原則2進行加密處理。在上述原則的基礎上，根據計算能力選擇網絡數量并進行網格劃分。模型選擇四面體非結構網格，對流道重點部位和流動劇烈的地方進行網格加密，并對不同網格數量下的網格品質進行了比較。依據計算機的性能，本模型確定體網格總數在30萬左右。得到如圖3所示的穩態計算網格。

圖3　流道模型網格劃分

2.2邊界條件

計算模型采用k-ε湍流模型，采用隱式Segregated法。流體狀態邊界為，介質采用水蒸汽，作可壓縮流體考慮。重力加速度為9.8m/s2，湍流強度取3%，設置進口面邊界為壓力進口(1.6MPa)，入口直徑為24.6mm，出口面邊界為壓力出口(1.1MPa)，出口直徑為25.5mm。計算精度控制采用SIMPLE算法，殘差精度設為10-5。

2.3計算結果

調節閥的流量特性是指介質流過閥門的相對流量與相對位移(閥門的相對開度)之間的關系:

(1)

式中:Q為調節閥在某一開度下的流量；Qmax為調節閥全開流量(最大流量)；l為調節閥在某一開度下閥芯位移；L為調節閥全開時閥芯位移[11]。

通過改變閥芯與閥座之間的通流面積，便可控制流量。將閥芯在不同位移下的模型依次進行數值計算，得到相應的質量流量，通過計算得出閥門在不同位移下的相對流量[12]。閥芯相對開度與相對流量變化曲線如圖4所示。

從結果可看出，閥門在初始打開階段，相對流量變化比較緩慢，隨著開度增加，相對流量變化加快。相對流量變化較大的范圍在相對位移50%～100%，變化量為0.835；0%～50%，相對流量變化只有0.165。與閥門實際工作情況基本相符，即小開度精調，大開度控流量。

流體在流過閥門時，壓力最大的位置分別出現在閥門進口、背對出口流道和閥芯頭部(壓力最大達到1 599 361Pa)。通過錐心時壓力降低到137 029Pa，隨著流體的流動，過流截面積不斷增大。當流體全部通過閥門以后，流體的壓力逐漸恢復(151 347Pa)。流道壓力云圖見圖5。

圖4　相對位移與相對流量變化曲線

圖5　流道流體壓力分布

3　流道特性分析

對該調節閥流道結構分析可知，在閥門的進出口幾何尺寸、開度確定的情況下，閥芯幾何形狀是影響閥門的流通性能的最主要的影響因素。因此，選擇正確的閥芯錐角幾何尺寸非常重要。

雙錐面閥芯幾何尺寸定義見圖6。閥芯錐角幾何尺寸由2個錐面的半角α1、α2和錐臺高度h1確定。

圖6　雙錐面閥芯幾何尺寸定義

在保持2個錐面半角α1、α2不變的情況下，相對流量隨著錐臺高度h1的增加而減小；保持錐臺高度h1不變，相對流量隨著錐面半角α1、α2增加而增大。實際雙錐面閥芯3個參數是互相關聯和制約的，參數的匹配關系是流量特性的決定因素。3個幾何參數與相對流量變化關系如圖7所示。

圖7　幾何參數與相對流量變化關系

對建立的4種錐芯尺寸進行數值計算，并把計算結果與實驗數值進行比較。模型1是α1=α2，即處于單錐面狀態，流通規律與實驗結果基本一致，但是相對誤差比較大，最大值為0.168；模型2的h1偏大，模型4的α1偏大，兩個模型的流通規律與實驗結果基本一致，模型2在開度較大時產生很大誤差，最大值為0.237，模型4在閥芯處于中間位置時產生很大誤差，并且流量控制不穩定，最大誤差為0.255；優化后的模型3的流通規律與實驗結果有很好的一致性，并且誤差比較小，最大誤差僅為0.046。結構優化流量特性如圖8所示。

圖8　優化模型數值計算曲線

4　結論

運用理論分析、數值仿真相結合的方法，對雙錐面閥門流道進行系統、深入分析。計算結果表明：通過數值模擬所得到的結果與實驗數據有較好的一致性。這有助于提升閥門優化設計水平，縮短設計周期，降低人力和試驗成本，具有重要的現實意義；在對雙錐面閥芯結構尺寸充分分析的基礎上，給出4種結構模型，模型3的仿真結果與實驗數據基本一致，該模型可滿足實際閥門設計要求；研究成果可為雙錐面調節閥門后續優化設計和試驗提供理論依據。

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(責任編輯唐定國)

StructuralCharacteristicAnalysisonaDouble-PoppetRegulatingValveBasedonCFD

LIUJie，LILing-dong

(CollegeofNuclearScienceandTechnology，HarbinEngineeringUniversity，Harbin150001,China)

Inviewofthedouble-poppetregulatingvalve,thethreedimensionalmodelingsoftwarewasusedtoestablishvalveinteriorflowfieldmodel.BytheapplicationofCFDsoftwaredispersesolution,theflowcharacteristicsofthecontrolvalveweregot，andafterwardswecomparedandanalyzedtheflowcharacteristicspursuedwiththeexperimentaldata.Bychangingthestructuresizeofthedouble-poppetspoolandcarryingonthenumericalsimulationoftheflowchannel，themainfactorswhichaffecttheflowcharacteristicsoftheflowchannelwereobtained.

double-poppetregulatingvalve；CFDnumericalsimulation；channelstructure；characteristicanalysis

2016-04-18；

2016-05-06

校第二十一屆“五四杯”大學生學術科技創新項目(A6-2015-15-002)

劉潔(1995—)，男，主要從事核技術應用研究。

10.11809/scbgxb2016.09.037

format:LIUJie，LILing-dong.StructuralCharacteristicAnalysisonaDouble-PoppetRegulatingValveBasedonCFD[J].JournalofOrdnanceEquipmentEngineering,2016(9):162-165.

TH134

A

2096-2304(2016)09-0162-04