李媛 張惠兵 戴野 張瀚博 劉瑞 史耀軍

摘 要：為研究安全閥閥腔流動(dòng)特性對(duì)安全閥啟閉性能的影響，加強(qiáng)對(duì)安全閥結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與設(shè)計(jì)。通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)對(duì)其分析了不同開度下閥腔介質(zhì)流動(dòng)特性與壓力分布，以及啟閉時(shí)安全閥閥腔流場(chǎng)變化規(guī)律及影響因素。結(jié)果表明：彈簧的剛度與理論剛度相吻合;導(dǎo)向套開槽尺寸對(duì)流量影響不大、套筒斜面角度對(duì)流量的影響基本成線性變化、隨著入口口徑的增加質(zhì)量流量和軸向力均減小。

關(guān)鍵詞：核級(jí)安全閥;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);流場(chǎng)分析;數(shù)值模擬

DOI：10.15938/j.jhust.2020.01.003

中圖分類號(hào)： TH122

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1007-2683（2020）01-0015-07

Abstract：The flow characteristics of the valve cavity directly affect the opening and closing performance of the safety valveBased on the theory of fluid dynamics， we establish the finite element model of valve flow field， and the change rule and influencing factors of valve cavity flow field during opening and closing are analyzedWe take a kind of nuclear-level spring type safety valve as the research object， and the medium flow characteristics and pressure distribution in the valve chamber under different opening degrees were calculated， the valve lift curve is derivedThe influence of the groove size of the guide sleeve， the angle of the inclined surface of the guide sleeve， and the diameter of the inlet valve seat on the flow characteristics of the valve chamber medium is obtainedThe research results can guide the setting of safety valve cavity structure parameters， and provide theoretical basis for the flow characteristics and structural optimization of spring type safety valve-

Keywords：nuclear grade safety valve; structure design; flow field analysis; numerical simulation

0 引 言

核級(jí)閥門作為核電技術(shù)中的重要耗材，其需求規(guī)模不斷擴(kuò)大，其中安全閥在系統(tǒng)中起安全保護(hù)作用，保證設(shè)備不因高壓而發(fā)生事故[1]。本文研究的新型核級(jí)安全閥，是一種彈簧式安全閥結(jié)構(gòu)，利用彈簧加載于閥瓣上，屬于直接載荷式安全閥[2]。安全

閥具有結(jié)構(gòu)完善、體積精巧、可施加載荷的范圍較大，并且對(duì)振動(dòng)載荷因素不敏感等優(yōu)點(diǎn)。但當(dāng)載荷隨閥瓣的開啟而不斷増加，使得舊結(jié)構(gòu)的彈簧直接載荷式安全閥不能達(dá)到較大的閥瓣開啟高度，以至于限制了安全閥的應(yīng)用范圍，更使得安全閥需要依靠引進(jìn)國(guó)外技術(shù)。為了克服上述缺點(diǎn)并加速安全閥國(guó)產(chǎn)化，新型核級(jí)安全閥的結(jié)構(gòu)可從兩個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)，進(jìn)而増大流體介質(zhì)對(duì)閥瓣的作用：第1點(diǎn)可增加閥瓣的有效面積，從而增加承受介質(zhì)靜壓力和沖擊作用;第2點(diǎn)可通過(guò)控制介質(zhì)的動(dòng)量的變化，獲得閥瓣升力，這樣可以通過(guò)控制彈簧剛度的手段進(jìn)行。綜合考慮了上述兩種原理，新型核級(jí)安全閥具備了很出色的開啟高度與排放能力，使彈簧式安全閥的應(yīng)用范圍更加廣泛。針對(duì)新型核級(jí)安全閥流道與閥腔內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行流場(chǎng)分析，利用ANSYS CFX流體仿真軟件分析安全閥流道模型[3]，計(jì)算閥瓣的特性曲線以探討彈簧剛度。并針對(duì)閥腔結(jié)構(gòu)可利用CFX進(jìn)行熱流體動(dòng)力學(xué)特性分析[4-8]，計(jì)算壓力、速度、溫度分布圖，并根據(jù)安全閥結(jié)構(gòu)研究閥腔流量影響因素，為研究閥腔流動(dòng)特性對(duì)安全閥性能的影響奠定了基礎(chǔ)[9]。

從90年代后期開始，CFX技術(shù)快速發(fā)展，使得安全閥數(shù)值模擬仿真模型日趨完善，慢慢開始應(yīng)用到安全閥研發(fā)和設(shè)計(jì)完善的工程實(shí)踐。宋學(xué)官[10]是國(guó)內(nèi)完整安全閥系統(tǒng)CFD仿真的開創(chuàng)者，他先后研究了壓力容器、安全閥幾何參數(shù)和彈簧剛度等因素對(duì)動(dòng)態(tài)特性的影響，但是也無(wú)法避免三維模型對(duì)計(jì)算機(jī)資源消耗巨大的缺陷;Anna等[11]的研究是首個(gè)使用Fluent Dynamic Layering動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)模擬安全閥開啟過(guò)程的案例，但是其運(yùn)動(dòng)控制方程明顯錯(cuò)在失真現(xiàn)象;馮進(jìn)等[12]使用二維的CFD模型對(duì)安全閥從開啟到排放的過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了安全閥的動(dòng)態(tài)特性。

本文利用國(guó)際上先進(jìn)的計(jì)算流體仿真技術(shù)，通過(guò)建立安全閥閥道流場(chǎng)有限元模型，計(jì)算不同開度下閥腔介質(zhì)流動(dòng)特性與壓力分布，分析啟閉時(shí)安全閥閥腔流場(chǎng)變化規(guī)律及影響因素。推導(dǎo)出閥瓣升力曲線，獲得導(dǎo)向套開槽尺寸、導(dǎo)向套筒斜面角度和入口閥座口徑對(duì)閥腔介質(zhì)流動(dòng)特性的影響規(guī)律。

1 安全閥流道模型建立

本文研究對(duì)象是一種彈簧式核級(jí)安全閥結(jié)構(gòu)，利用彈簧加載于閥瓣上，屬于直接載荷式安全閥，主要包括閥體組件，閥座，底座，入口法蘭，出口法蘭，閥瓣，導(dǎo)向套，閥桿，定位塞，壓板，上彈簧座，下彈簧座，彈簧，彈簧罩，上罩等主要零件，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1-堵頭，2-曲軸，3-彈簧罩，4-上彈簧座，5-彈簧，6-閥桿，7-下彈簧座，8-出口法蘭， 9-壓板，10-閥瓣筒，11-閥體組件，12-定位塞，13-導(dǎo)向套，14-閥座，15-入口法蘭

安全閥與系統(tǒng)管道采用法蘭連接，安全閥流道具有幾何對(duì)稱性，同時(shí)為了減少網(wǎng)格數(shù)量提高分析效率，取四分之一模型進(jìn)行有限元分析，并根據(jù)系統(tǒng)管路特點(diǎn)，建立了簡(jiǎn)化后的新型核級(jí)安全閥流道模型，如圖2所示，如圖2（a）所示為流道幾何模型，圖2（b）為流道有限元模型。

2 安全閥流道性能分析

2-1 閥瓣升力曲線分析

本文利用有限元仿真分析軟件ANSYS CFX對(duì)安全閥內(nèi)部流體模型進(jìn)行仿真分析，模擬安全閥開啟過(guò)程中閥瓣所受升力變化，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，通過(guò)對(duì)比，最終確定安全閥升力曲線的數(shù)值模擬分析方法。

作為研究安全閥動(dòng)作特性的基礎(chǔ)，升力曲線表示了流體介質(zhì)對(duì)安全閥閥瓣的相對(duì)作用力與相對(duì)行程的函數(shù)關(guān)系。彈簧剛度是影響安全閥動(dòng)作特性的重要因素之一。通過(guò)分析安全閥的特性曲線，即升力曲線與馬赫數(shù)曲線，可以計(jì)算并得到彈簧的最佳剛度。閥瓣升力曲線是通過(guò)模擬閥瓣開度由36mm關(guān)閉到1-7mm的過(guò)程中閥瓣所受的介質(zhì)推力得出來(lái)的。閥門啟閉過(guò)程中，流體介質(zhì)對(duì)閥瓣的升力與彈簧載荷力共同作用，產(chǎn)生了彈簧式安全閥的動(dòng)作特性（排放壓力，開啟高度，回座壓力等）。對(duì)閥瓣施加載荷后的結(jié)果分析如表1所示。

式中：ρ是升力系數(shù);Fs是閥瓣升力;也就是流體在閥瓣上總合力，N;p是閥進(jìn)口介質(zhì)靜壓力，MPa;d0是流道直徑，mm。

升力系數(shù)ρ隨啟閉高度變化，取決于閥門結(jié)構(gòu)及各零件形狀尺寸，通常借助仿真分析來(lái)確定[13]。閥瓣在35mm～20mm各開度下的介質(zhì)流線如圖3所示。由圖3可知，不同開度下流體介質(zhì)速度流線變化集中在閥瓣周圍。

2-2 升力曲線圖與馬赫數(shù)分析

由以上結(jié)果繪制閥門各個(gè)開度狀態(tài)下的閥瓣升力曲線，如圖4所示。在正常工作條件下，安全閥閥瓣所受的背壓較大[14]，升力特性曲線在開度34mm以后逐漸趨于平緩到最后形成為直線。通過(guò)仿真分析試驗(yàn)，安全閥閥瓣的開度為3-4mm時(shí)升力系數(shù)最小，當(dāng)閥瓣開度為5～30mm之間時(shí)，閥瓣升力系數(shù)最大，直至趨于平緩沒(méi)有起伏。

式中：F為彈簧計(jì)算剛度，N/mm;h為閥瓣開啟高度，mm;d0為流道直徑，mm;Dm為關(guān)閉件密封面平均直徑，mm;pdr為額定排放壓力，MPa;ps為整定壓力（開啟壓力），MPa;ρh為開度為h時(shí)的閥瓣升力系數(shù)。

通過(guò)計(jì)算公式得到的彈簧剛度偏小，但基本符合理論計(jì)算得到的彈簧剛度。提取閥門喉部位置馬赫數(shù)見表2，繪制馬赫數(shù)-開度變化曲線如圖5所示。

馬赫數(shù)為流場(chǎng)中某點(diǎn)的速度v同該點(diǎn)的當(dāng)?shù)芈曀賑之比，被稱為流體力學(xué)中表征流體可壓縮程度的一個(gè)重要的無(wú)量綱參數(shù)。馬赫數(shù)相對(duì)數(shù)值越大，閥門回座更加平穩(wěn)。安全閥排放量大取決于馬赫數(shù)高，相當(dāng)于流體介質(zhì)的流速高，等同于流體介質(zhì)在開口處?kù)o壓小。通過(guò)得到的升力曲線圖與馬赫數(shù)圖，可以確定閥瓣升力大小的范圍，兩個(gè)因素可以供設(shè)計(jì)人員參考，首先確保在相應(yīng)開度附近，隨著閥門的關(guān)閉，介質(zhì)升力逐漸遠(yuǎn)大于彈簧力;其次閥門在初始開度時(shí)，介質(zhì)作用力不能太大，其值要在350kN以下才能保證流量穩(wěn)定。

3 安全閥閥腔內(nèi)部流場(chǎng)特性分析

3-1 建立閥腔流場(chǎng)模型

安全閥的三維模型如圖6所示，有限元模型如圖7所示。由于安全閥幾何結(jié)構(gòu)都具有對(duì)稱性，所以只需計(jì)算整個(gè)安全閥模型的1/2。安全閥內(nèi)部的流動(dòng)為三維湍流流動(dòng)，其通用控制方程為[15]：

3-2 閥腔流場(chǎng)與溫度場(chǎng)分析

對(duì)安全閥在不同入口壓力、不同開度條件下的流場(chǎng)與溫度場(chǎng)進(jìn)行了模擬分析，獲得了不同情況下安全閥的壓力分布、速度場(chǎng)和溫度分布規(guī)律。開度0-5mm時(shí)不同入口壓力下的壓力場(chǎng)分布見圖8、速度分布見圖9。

從圖中可以看出，開度0-5mm時(shí)，入口處的壓力相對(duì)較高，閥瓣附近區(qū)域壓力最低，閥瓣下游區(qū)域壓力較低。流體速度在下閥瓣底部最小凹槽截面處達(dá)到最大值，并且隨著入口壓力的增加而增加，最大速度可達(dá)80m/s。

同理開度2-0mm、開度2-5mm的后處理結(jié)果不再贅述，分別通過(guò)后處理結(jié)果可以看出：開度2-0mm時(shí)，入口在下閥瓣最底部壓力最高，下游區(qū)域壓力較低。流體速度在下閥瓣底部最小凹槽截面處與導(dǎo)向套筒斜面處較高，并且隨著開度的增加值也在增加，最大開度時(shí)速度最大值達(dá)到86m/s，下游區(qū)域速度較低;開度2-5mm時(shí)，下閥瓣最底部壓力最高，下游區(qū)域壓力較低。流體速度在下閥瓣底部導(dǎo)向套筒斜面處較高，并且隨著開度的增加也在增加，最大開度時(shí)速度最大值達(dá)到88m/s，下游區(qū)域速度較低。

圖10（a）、（b）和（c）分別是入口壓力為3-982MPa，開度為0-5mm、2-0mm和2-5mm時(shí)對(duì)稱面的溫度分布圖。最大溫差分別為1-27K、1-16K和1-12K。通過(guò)分析其它入口壓力溫度場(chǎng)時(shí)發(fā)現(xiàn)，溫差很小，入口壓力為3-62MPa時(shí)，開度為0-5mm、2-0mm和2-5mm時(shí)，溫差分別為1-18K、0-95K和1-04K;入口壓力為2-896MPa時(shí)，溫差分別為0-91K、0-84K和0-81K?？梢钥闯?，入口壓力相同時(shí)，隨著開度的增加溫差減小;開度相同時(shí)，隨著入口壓力的增加溫差增大?？傮w來(lái)說(shuō)溫差都很小。

3-3 安全閥閥腔影響流量的因素分析

如圖11所示，仿真曲線為安全閥在不同壓力下的流量變化趨勢(shì)，橫坐標(biāo)軸表示安全閥不同開口度[15]。由圖分析得知：安全閥的流量大小與開口度

大小成正比，隨開口度的增大而增大。如圖12所示，仿真曲線為安全閥開口度為全開時(shí)質(zhì)量流量變化趨勢(shì)，橫坐標(biāo)軸表示安全閥入口不同壓力。分析得知：安全閥的質(zhì)量流量大小隨壓力的增加而增加。

分析系統(tǒng)對(duì)安全閥的導(dǎo)向套開槽尺寸、導(dǎo)向套筒斜面角度和入口閥座口徑進(jìn)行分析研究，這三個(gè)影響因素對(duì)于安全閥的壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)和受力特性都有影響。本文主要以導(dǎo)向套開槽尺寸為例介紹分析開槽的寬度和高度在閥瓣全開時(shí)對(duì)受力、流量和流場(chǎng)的影響的過(guò)程。表3是閥門全開時(shí)導(dǎo)向套開槽尺寸變化時(shí)的流量和閥瓣軸向力（過(guò)冷水對(duì)閥瓣向上的力）數(shù)據(jù)，在入口壓力相同時(shí)，導(dǎo)向套開槽寬度對(duì)流量的影響很小，高度對(duì)流量的影響較大，流量隨導(dǎo)向套開槽度的高度增加而增加，如入口壓力為2-896Mpa時(shí)，高度增加40%，流量增加29-3%。

同理可得出：導(dǎo)向套筒斜面角度對(duì)流量的影響基本成線性變化，入口為排放壓力下，角度變化50%時(shí)質(zhì)量流量增加17%。角度對(duì)軸向力的影響逐漸增大，并且角度增加50%，可使軸向力增大21-5%，可見角度對(duì)軸向力的影響很大。隨著傾斜角度的增加，最大速度先減小后增大，最大壓力先增大后減小。對(duì)于入口閥座口徑對(duì)安全閥特性的影響，隨著入口口徑的增加質(zhì)量流量和軸向力均減小，如入口為2-896MPa時(shí)，直徑增加25%，質(zhì)量流量減小7%，軸向力減小11-5%。隨著口徑的增加，流動(dòng)的最大壓力和最大速度值均增加，并且入口段壓力和速度分布的層次逐漸變淡。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)理論分析和仿真結(jié)果分析，得到以下結(jié)論：

1）通過(guò)分析安全閥閥腔流場(chǎng)特性，計(jì)算了閥瓣的升力曲線，驗(yàn)證了彈簧的剛度與理論剛度相吻合。

2）以安全閥管道內(nèi)流體的流動(dòng)模型為基礎(chǔ)，設(shè)置不同開口度參數(shù)和不同壓力參數(shù)，分析流體的速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)，獲得了安全閥不同開度下的壓力分布、速度分布、流量和受力特性。

3）分析了導(dǎo)向套開槽尺寸、導(dǎo)向套筒斜面角度和入口閥座口徑的對(duì)流量影響，得出導(dǎo)向套開槽尺寸對(duì)流量影響不大、套筒斜面角度對(duì)流量的影響基本成線性變化、隨著入口口徑的增加質(zhì)量流量和軸向力均減小。

本文為今后安全閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)也為研究閥腔流動(dòng)特性對(duì)安全閥啟閉性能的影響奠定了基礎(chǔ)。

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（編輯：王 萍）