核閥流體動力學及流固耦合特性數值模擬

冷 冰，趙 晶

（沈陽工業大學 機械工程學院，沈陽 110870）

0 引言

閘閥以其低流動阻力、低啟閉力以及高可靠性等優點，被廣泛應用于工業生產，特別是在核電站系統中［1］。作為核電站系統中的重要設備［2］，核電閘閥常用于接通或截斷管道中的介質。當核電閘閥全開或全關時，由于高壓流體的作用，核閥結構將產生變形及應力［3］。因此，為避免閘閥全開時其結構變形或受力超出許用值導致結構破壞，需對閘閥內部的流場和流固耦合作用下的結構場進行計算分析。

隨著計算機技術和數值模擬技術的飛速發展，計算流體動力學（CFD）以其成本低、周期短、結果準確等優點被廣泛應用于研究工程流體流動現象。在閥門的流動特性研究中，如球形止回閥的流固耦合特性研究［4］，柱塞泵進排液閥的流場特性分析［5］以及基于動網格的液壓滑閥流固耦合分析［6］等均采用CFD數值模擬計算并驗證了該方法的可靠性。因此，本文基于ANSYS Workbench有限元分析軟件，采用CFX模塊對閘閥內部流場進行分析，運用有限體積法（FVM）將閘閥與流場進行流固耦合力學分析，得出閘閥內部流場的壓力、速度分布，以及閘閥的變形和應力分布情況，為高壓條件下核電閘閥的設計、改進提供可靠依據。

1 流固耦合求解方法

流固耦合是指固體在流體載荷作用下會產生變形或運動，而變形或運動的固體同樣會對流體的流場特性產生影響，即流固兩相介質之間的相互作用［7］。由于閘閥開啟時其結構變形小，對流體流動狀態影響較小，因此本研究只考慮流體對閘閥結構的影響，即單向流固耦合作用。

對于流固耦合問題，可通過建立流固耦合控制方程進行求解。流體流動的過程遵循物理守恒定律，即流體控制方程是基于質量、動量和能量守恒定律建立方程；固體結構的控制方程可根據牛頓第二定律導出；基于流體與固體在熱流量q、應力τ、位移d、溫度T等多個變量的守恒建立以下流固耦合交界面處的控制方程［8-12］：

2 穩態流固耦合分析

2.1 穩態流體動力學分析

2.1.1 網格劃分

采用ANSYS Workbench平臺中的CFX對流體域采用非結構性網格劃分［13］，尺寸函數采用“Curvature”，最大面尺寸設置為2 mm。劃分后得到網格單元數為608 083，節點數為121 625。圖1示出閘閥流體域網格劃分。

圖1 閘閥流體域網格劃分示意Fig.1 Schematic diagram of fluid domain meshing of the gate valve

2.1.2 邊界條件設置

根據設計要求，入口邊界條件設置為壓力入口，對流體（液態水）入口施加17.2 MPa的壓力及350 ℃的溫度值，同時啟用熱能傳遞模型；出口邊界條件設置為速度出口，且出口平面法向速度大小為10 m/s；對稱截面上設置對稱邊界；流體壁面邊界條件采用無滑移光滑壁面，忽略與閘閥壁面的熱交換影響。圖2示出流體邊界條件。

圖2 流體邊界條件設置示意Fig.2 Schematic diagram of fluid boundary conditions setting

2.1.3 結果與分析

圖3和4分別示出設計工況下閘閥內流體對稱面上的壓力分布云圖和速度分布矢量。

圖3 流體對稱面的壓力分布云圖Fig.3 Pressure distribution nephogram of the fluid symmetry plane

圖4 流體對稱面的速度分布矢量Fig.4 Velocity distribution vector diagram of the fluid symmetry plane

由圖可知，閘閥內流體在流動過程中沿主流通道壓力值明顯降低，速度值明顯增加，這是由于流體在流經閥體中腔時因壓力波動在閥體底部產生渦流，導致流體的壓力能與動能發生轉化。閘閥內流體整體的壓力與速度波動較小。

為進一步定量研究閘閥內部的壓力及速度變化，分別提取了流動過程中入口和出口平面的平均壓力和平均速度。由圖5可知，入口和出口平面的平均壓力分別為17.15，17.14 MPa，出入口壓差數值非常小，僅為0.01 MPa。由圖6可知，入口和出口的平均速度分別為9.99，10.08 m/s，速度有所增加，但增加幅度較小，僅為0.9%。

圖5 穩態模擬過程中出入口平均壓力變化曲線Fig.5 Variation curves of average pressure at inlet and outlet during the steady-state simulation

圖6 穩態模擬過程中出入口平均速度變化曲線Fig.6 Variation curves of average velocity at inlet and outlet during the steady-state simulation

2.2 穩態流固耦合靜力學分析

2.2.1 材料屬性設置及網格劃分

閘閥結構及部件材料屬性分別如圖7及表1所示。為提升模擬效率，閘閥結構采用非結構網格劃分，尺寸函數選擇“Curvature”，最大面尺寸設置為4 mm，劃分后得到網格單元數為189 100，節點數為420 667。圖8示出閘閥固體域網格劃分。

表1 閘閥各部件材料參數Tab.1 Material parameters of components of the gate valve

圖7 閘閥結構示意Fig.7 Schematic diagram of the gate valve structure

圖8 閘閥固體域網格劃分示意Fig.8 Schematic diagram of solid domain meshing of the gate valve

2.2.2 施加載荷及約束

流固耦合過程中閘閥內壁受到的力是由流體壓力引起，因此，將2.1節中穩態流動模擬得到的流體壓力施加在閘閥內壁，如圖9所示。根據閘閥各零部件的裝配約束關系，對閘閥入口和出口面、閥體上表面以及閥蓋上表面施加固定約束。

圖9 閘閥固體域導入壓力載荷示意Fig.9 Schematic diagram of the imported pressure load in the solid domain of the gate valve

2.2.3 結果與分析

根據GB/T13927-1992規定，在試驗過程中，為避免殼體因受力變形過大出現滲漏現象，通常把承壓邊界（閥體）的變形控制在0.001DN的范圍內。閥體公稱直徑為130 mm，即允許變形量為0.13 mm。

由圖10閘閥變形分布云圖可知，受到穩態流體壓力沖擊后，閘閥變形主要集中在閥體與導軌，最大變形量為0.025 mm，而閘板變形量次之，最大值為0.02 mm，閘閥其余部位受流體沖擊較小，其變形量非常小，均在0.01 mm以下。由圖11閘閥等效應力分布云圖可知，在穩態流固耦合作用下，閘閥應力主要集中在閥體的左右側壁及底部處，最大等效應力為98.46 MPa，閘閥其余部位受流體沖擊較小，其等效應力值較小，均小于材料的許用應力。

圖10 閘閥變形分布云圖Fig.10 Deformation distribution nephogram of the gate valve

圖11 閘閥等效應力分布云圖Fig.11 Equivalent stress distribution nephogram of the gate valve

3 瞬態流固耦合分析

3.1 瞬態流體動力學分析

在實際工程中，由于物體運動、邊界條件改變或流動自身特性等原因，流動現象會隨著時間變化而變化。因此，設定瞬態模擬來研究流體動力學及流固耦合現象是非常有必要的。

3.1.1 模擬設置

瞬態分析的初始值表示瞬態現象在0時刻的物理狀態，是流體內部自發的瞬態現象。為保證瞬態計算結果的準確性，通常以一個收斂的穩態分析結果作為相應瞬態分析的初始值。因此，以2.1節中穩態流體動力學求解結果作為瞬態模擬的初始值，對瞬態模型進行如下設置：分析類型為無耦合瞬態（Transient）模擬，總時間為0.1 s，時間步長為0.000 5 s。

3.1.2 結果與分析

為研究瞬態模擬過程中流體壓力和速度的變化情況，分別提取 0.025，0.050，0.075，0.100 s這 4組不同時刻的壓力分布云圖和速度分布矢量圖。如圖12，13所示，在瞬態模擬過程中，壓力在初始時刻入口處最大，由于壓力能與動能的轉化，沿主流通道出現壓力下降、速度增加的趨勢，二者的整體波動幅度均較小。此外，由于閥體底部出現渦流現象，壓力在流出時變得不均勻，從而導致出口面中間壓力大于周邊壓力的現象。

圖12 瞬態模擬過程中對稱面不同時刻壓力分布云圖Fig.12 Pressure distribution nephograms of the symmetry plane at different moments in the transient

圖13 瞬態模擬過程中對稱面不同時刻速度分布矢量圖Fig.13 Velocity distribution vector diagrams of the symmetry plane at different moments in the transient simulation

3.2 瞬態流固耦合動力學分析

3.2.1 模擬設置

為研究流體瞬態特性對閘閥變形與受力情況的影響，分別導入 4組（t=0.025，0.050，0.075，0.1 s）與瞬態流體動力學分析相一致的瞬態模擬壓力，且4組導入壓力的加載方式設置如下：“Initial Time Stepping” 設 為 2.5e-4，“Minimum Time Step”設為 2.5e-5，“Maximum Time Step”設為2.5e-3。

3.2.2 結果與分析

由圖14閘閥變形分布云圖可知，在4組不同時刻瞬態模擬的分析結果中，閘閥變形均集中在閥體、閥體上的導軌以及閘板處，其中導軌、閘板處變形量均在0.1 s時最大，分別為0.101 mm和0.016 7 mm。閘閥其余部位受流體沖擊較小，其變形量較小，均在0.01 mm以下。

由圖15閘閥等效應力分布圖可知，閘閥應力分布主要集中在閥體和出入口閥座處，其中在0.1 s時閥體等效應力值最大，為259.69 MPa，超過閥體材料的屈服強度，產生局部應力集中。根據圖14的閘閥變形計算結果可知，閥體在0.1 s時的最大變形量為0.101 mm，小于其允許變形量0.13 mm，閥體壓力邊界完整性保持良好，滿足工程使用性能要求。可通過在應力集中部位加大圓角以減小應力集中程度。

圖14 不同時刻閘閥變形分布云圖Fig.14 Deformation distribution nephograms of the gate valve at different moments

圖15 不同時刻閘閥等效應力分布云圖Fig.15 Equivalent stress distribution nephograms of the gate valve at different moments

4 結論

（1）在穩態、瞬態流場特性模擬過程中，由于閥體底部的結構變化，流體在流經此處時均會因壓力波動而產生渦流，出入口壓力損失均較小，通過改進閥體底部結構可進一步減小壓力損失。

（2）在穩態流固耦合模擬過程中，閘閥變形主要集中在閥體與導軌部位，且最大變形量遠小于閥體的允許變形量0.13 mm。其次，閘閥在各個部位的應力值均小于其材料的許用應力，在實際工程應用中可滿足強度要求。

（3）在瞬態流固耦合模擬過程中，閘閥的最大變形與最大等效應力均出現在閥體與導軌部位，最大變形量為0.101 mm，小于其允許變形量，閥體的壓力邊界完整性保持良好；最大等效應力略大于材料的屈服強度，產生局部應力集中。可通過加大閥體與導軌部位的圓角以減小應力集中的程度。