基于Simerics MP+的核電廠主給水調節閥流量特性數值模擬

陳修高，張 鵬，石 洋，胡服全，王 健

（1.國家電投集團科學技術研究院有限公司,北京 102209；2.國核華清(北京)核電技術研發中心有限公司,北京 102209；3.北京合工仿真技術有限公司,北京 100192）

核電調節閥廣泛應用于核電站核島及常規島的各個系統中。調節閥性能成為系統性能的組成部分，其中流量特性是核電調節閥最為關注的問題之一。

目前研究核電調節閥性能主要以試驗與數值模擬為主。近年來在核電閥門試驗研究方面：于海峰等[1]采用試驗驗證核一級電動截止閥樣機的性能，其試驗數據表明，閥門滿足設計要求；符明海等[2]對ACP1000 核級主蒸汽安全閥的冷態和熱態性能進行試驗，其結果表明，熱態試驗比冷態試驗更能客觀反映閥門在實際工作狀態下的性能；文獻[3]也表明在條件允許的情況下應進行熱態試驗，以保證核電站的安全性能；齊曉光等[4]開展了核級電動截止閥的流體阻斷試驗，驗證了開展閥門流體阻斷試驗的試驗方法；穆冠宇[5]對核電廠多級籠式調節閥的布置位置進行試驗研究，其結果表明，為不使管道產生破壞性水錘，閥芯需完全布置于浸沒水的管道中，布置管段中不能有空氣存在；徐斌福等[6]介紹了核級閥門試驗系統，該系統可滿足不同類型核級閥門產品的功能性試驗。在數值模擬研究方面：劉雄偉等[7]利用數值模擬對AP1000 核電中壓調節閥所受氣動力矩進行數值模擬研究，其模擬結果與工程計算得到的結果基本吻合；Wang 等[8]利用數值模擬研究了迷宮調節閥的迷宮通道，其結果表明，迷宮通道可有效地使壓力下降，避免了空化現象的產生；何子昂等[9]通過數值模擬分析閥門內部組件的沖刷損傷；文獻[10?11]采用數值模擬對大氣釋放閥前置隔離閥進行開啟特性的研究，其結果可為閥門的設計和改進提供參考；劉立志等[12]對核能裝置管路系統截止閥流體激振特性進行了研究，其結果表明直流式截止閥的流體激振特性優于角式截止閥；陳志杰等[13]利用動網格技術研究了核級定壓差止回閥的閥瓣運動，其結果與試驗結果吻合程度良好；余航等[14]對船用核動力裝置止回閥的泄漏問題進行了熱流固耦合研究，計算結果可對閥門優化提供幫助；沈國強等[15]對DN100 的核級套筒式調節閥流量特性進行了數值模擬，模擬值與試驗值有較好的吻合；文獻[16?17]分析閥芯形狀對調節閥流量特性的影響，對進一步研究核電站控制閥的流量控制和閥芯的優化設計具有一定的參考；文獻[18?19]利用數值模擬和試驗相結合的方式研究了DN100 調節閥局部流動參數，其結果可用來開發改進調節閥閥內件設計；祁崇可等[20]采用數值模擬方法研究核級主給水控制閥流道結構，并通過流量試驗驗證了數值模擬方法的準確性。

在試驗研究方面，國內研究者已經取得了一系列成果，但大多都是針對口徑較小的閥門或冷態進行試驗，對于口徑較大的核電閥門（公稱尺寸>DN500）一般采用數值模擬的方法研究其內流的流動特征。目前對于核電閥門的流場數值模擬研究基本是采用通用CFD 商業軟件如Fluent 等，雖然其基本能達到比較滿意的結果，但在閥門的動態研究方面，對于復雜結構的大口徑調節閥，動網格技術實現起來較為困難，而將調節閥的行程等分開度進行穩態研究，往往會忽略流量特性的細微特征。為此，本文采用泵閥類專用數值模擬軟件Simerics MP+對DN550 的核電主給水調節閥進行流量特性研究，并與目前傳統CFD 軟件（Fluent 軟件）結果進行對比分析。其結果表明，Simerics MP+在閥門動態研究方面具有獨特的優勢，可為核電調節閥的動態研究提供參考。

1 數值計算理論與方法

為研究調節閥的流量特性，首先建立連續性方程和動量守恒方程，在研究流量特性的過程中不考慮流體介質的熱交換，所以不需要求解能量方程。流場數值計算的基本控制方程為：

式中：ρ為流體密度；i,j=1,2,3；ui表示與xi相關聯的速度分量；Sm為源項，是從分散的二級相中加入到連續相的質量；p為靜壓；gi和Fi分別是i方向上的重力和外部體積力；τij為應力張量，由式（3）給出。

在主給水調節閥流量特性的研究中，可以使用許多湍流模型來模擬流場。其中，標準k-ε模型適用范圍廣，計算成本低，精度合理，是基于湍流動能及其耗散率的輸運方程的模型。該模型是從實驗現象中總結出來的半經驗公式，目前已成為計算流場的主要工具。標準k-ε模型能夠在保證結果準確性的基礎上，提高計算效率[16]。因此，本文采用標準k-ε湍流模型進行流場數值模擬研究。其控制方程為：

式中：Gk表示由于平均速度梯度而產生的湍流動能；Gb是由于浮力產生的湍流動能；YM表示可壓縮湍流中的脈動膨脹對總耗散率的貢獻，本文流量系數研究的介質為水，作為不可壓縮流體處理，所以可忽略此項的影響。

2 數值模擬幾何模型

2.1 三維結構模型

圖1 是主給水調節閥的三維結構示意圖。圖2是調節閥三維流道示意圖。為了使閥內流體流動充分均勻以及數值計算結果接近實際情況，根據標準IEC60534-2-3[21]的要求對調節閥進出口兩端加長管道。

圖1 主給水調節閥結構示意圖

圖2 主給水調節閥流道示意圖

2.2 網格劃分

閥芯與套筒之間存在微小間隙0.2mm，在Simerics MP+中可以建立結構化間隙網格，并進行局部加密處理，如圖3 所示。在通用CFD 計算中為改善網格質量，并提高計算效率，需要對其間隙和部分結構進行簡化處理，采用四面體和六面體的混合網格對計算區域離散，如圖4 所示。

圖3 Simerics MP+網格劃分

圖4 通用CFD 網格劃分示意圖

2.3 網格無關性檢驗

為了獲得較為經濟的網格，數值計算前需要進行網格無關性研究，通過比較計算模型的相關物理量隨網格密度變化的情況來選擇比較精確并且花費時間較少的網格單元數進行數值計算。以閥門全開時為例，邊界條件設置為進口壓力8MPa（絕壓8.1MPa），出口流量4867.1m3/h，計算出口壓力。表1 是Simerics MP+網格無關性檢驗結果。計算結果表明，增加網格數量對計算結果影響已經很小，所以選取方案2。通用CFD 方法的網格劃分數量已達到3×106左右，計算結果變化已經很小。

表1 網格無關性檢驗

2.4 計算方法

在Simerics MP+中設置閥門剛性勻速位移，從全開狀態到關閉，用時15s，位移隨時間變化如圖5所示。Simerics MP+集成有專用的閥門運動模板，無論是閥芯剛性勻速位移，還是閥芯與流體壓力等物理量成函數關系的動態運動，都容易實現。通用CFD 軟件采用將閥門行程均分為10 個相對開度的方法，每10%開度進行一組流量特性數值試驗，分別建立模型劃分網格，并進行穩態計算。

圖5 Simerics MP+調節閥閥芯位移

流量系數Kv反映了調節閥的流通能力，是調節閥的主要評價指標之一，無論是在調節閥選型還是實際應用中都具有非常重要的作用。本文利用模擬結果來計算調節閥流量系數，從而進行對比分析。根據標準IEC60534-2-3，調節閥的流量系數計算為

式中：利用國際單位制計算時，N1值為0.1；qv是通過調節閥的流量，單位為m3/h；Δp為被測調節閥前后壓差，單位為kPa；ρ1為實際工況下流體密度；ρ0為常溫條件下的流體密度。

2.5 仿真計算條件

在Simerics MP+和通用CFD 的計算中，邊界條件相同，具體如表2 所示。

表2 計算邊界條件

計算與試驗所用的流體介質一致，為去離子常溫水，其物性參數如表3 所示。

表3 流體介質物性參數

3 結果與分析

3.1 定量結果對比

圖6 是2 種方法計算結果與試驗值的對比曲線圖。流量系數曲線是根據相應開度的流量和壓差，由式（6）計算得到。由圖可知：主給水調節閥相對開度小于70%時，為等百分比流量特性；相對開度大于70%時，接近線性流量特性。由此可見，此主給水調節閥為復合式流量特性。相比通用CFD每10%開度進行一組流量特性數值試驗得到的結果，Simerics MP+計算的是調節閥從開啟到關閉的全過程，所得到的流量系數特性曲線為連續曲線，更能捕捉到調節閥流量特性細節。

圖6 流量特性計算結果對比圖

調節閥的試驗在國家電投中央研究院牽頭研制的壓水堆核電廠主給水調節閥試驗臺架上實施，如圖7 所示。由圖6 可知，Simerics MP+計算結果與試驗值的相對誤差更小，更接近真實值。表4 是試驗值與Simerics MP+、通用CFD 計算結果具體數值的對比。Simerics MP+的計算結果與試驗值的最大相對差值為5.71%，最小相對差值為0.14%，遠小于通用CFD 的計算結果，更接近于試驗結果。

圖7 試驗段樣機現場圖

表4 試驗值與Simerics MP+、通用CFD 結果對比

通用CFD 計算，一方面可再對網格進行細化處理，以減小誤差，但計算效率會大大降低；另一方面對模型進行的簡化處理會使相對誤差增大。

3.2 定性結果對比

圖8、圖9 分別是以主給水調節閥100%開度為例，采用2 種計算方法得到的壓力場云圖和速度場云圖。由圖8 可知，在壓力場分布方面，兩者的計算結果基本吻合，閥門上游處高壓，經調節閥套筒窗口處節流降壓，壓降約為0.518MPa，進口到出口的壓力變化較為均勻。

圖8 壓力云圖對比

圖9 速度云圖對比

由圖9 可知，在速度場分布方面，兩者計算結果略有不同，表現在閥門下游區域流速分布不一致。閥門上游區域速度變化比較均勻，閥門位置速度變化明顯變大，在閥門套筒窗口處區域出現了高流速區，高流速區對閥體產生流體沖擊。由于閥門窗口節流處流通面積較小，結構復雜，流體流過窗口時所受阻滯作用較大，導致閥門下腔室壓力大，閥門上腔室壓力較低，流體流速增大，因而在閥門下腔室節流處和閥門上腔室均形成渦流，且一直影響到閥門出口。

3.3 對比結果分析

通過對比，Simerics MP+計算得到的流量特性曲線能反映更多的流量特性細節。由于其計算的是調節閥開啟到關閉的連續過程，Simerics MP+憑借其集成的閥門運動模板對調節閥動態開啟或關閉過程的實現比通用CFD 計算的動網格更容易。通用CFD 每10%開度進行一組流量特性數值試驗的計算結果會忽略一些細節。

與本文所采用的通用CFD 計算結果相比，Simerics MP+計算結果與試驗值的相對誤差更小，更接近真實值。通用CFD 可以通過加密網格減小誤差，但會降低相應的計算效率。相比來說，Simerics MP+能以相對較少的網格數量獲得更高的精確度。

4 結論

本文利用Simerics MP+和通用CFD 仿真數值分析方法對核電廠主給水調節閥的流量特性進行了研究，得到如下結論。

1）主給水調節閥相對開度小于70%時，為等百分比流量特性；相對開度大于70%時，接近線性流量特性。此主給水調節閥為復合式流量特性。

2）從分析結果來看，與本文所采用的通用CFD計算相比，Simerics MP+計算結果與試驗值的相對誤差更小，最大相對誤差值為5.71%，表現更優。

3）通用CFD 可以通過加密網格減小誤差，但也會降低其計算效率，相比而言，Simerics MP+能以相對較少的網格數量獲得更高的精確度，且在閥門動態研究方面具有易實現的優勢。