王宗永，盧佳鑫，周 杰

(哈爾濱工程大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，哈爾濱 150001)

隨著國家能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，核電在我國能源中所占的比重勢必會(huì)越來越多，楊桓[1]等人的報(bào)告顯示：百萬千瓦功率的二代加核電站中各類閥門一共使用的數(shù)量多達(dá)數(shù)萬個(gè)，因此閥門是整個(gè)核電站工質(zhì)流動(dòng)回路中的重要組成部分.壓水堆系統(tǒng)中，穩(wěn)壓器是對(duì)一回路進(jìn)行壓力控制和超壓保護(hù)的重要設(shè)備[2-8].而比例噴霧閥是穩(wěn)壓器主噴淋管線上最重要的設(shè)備，也是惟一的核安全1級(jí)控制閥[9-11].其流動(dòng)特性是其最重要的指標(biāo).研究閥門流量特性的方法一般有兩種，分別是實(shí)驗(yàn)研究和仿真模擬.

實(shí)驗(yàn)法準(zhǔn)確但耗費(fèi)較大，仿真模擬耗費(fèi)較少但往往與真實(shí)存在一定偏差.因此在一定實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真成為了一種很普遍的方法，在保證準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上又可以減少花費(fèi).

孫曉[12]等人通過仿真模擬的方法研究了一止回閥的工作過程，發(fā)現(xiàn)閥門里介質(zhì)的流動(dòng)特性可以通過改變閥芯與閥瓣的結(jié)構(gòu)來得到有效改善.設(shè)計(jì)了一個(gè)可以使水流分層效果減少，減弱射流和渦流現(xiàn)象的新結(jié)構(gòu).并通過實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證.楊華[13]等人為了研究供熱管路中閥門的實(shí)際流量特性對(duì)管路的工作效果的影響，設(shè)計(jì)搭建了仿真試驗(yàn)臺(tái)對(duì)供熱管路中常用的幾種閥門進(jìn)行了實(shí)驗(yàn).運(yùn)用FLOMASTER進(jìn)行建模，對(duì)管路中的流量分配進(jìn)行了模擬計(jì)算.結(jié)果表明仿真模擬具有較高的準(zhǔn)確性.Zhu Shen-Bin[14]等人為了研究閥門內(nèi)部較弱的泄漏，提出使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)來識(shí)別閥門內(nèi)部泄漏，以多種工作條件下內(nèi)部泄漏和無泄漏信號(hào)的功率譜密度圖像為輸入.實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，提出的模型能夠有效識(shí)別內(nèi)部泄漏或非泄漏信號(hào)，最大誤差小于3%，可作為閥門泄漏診斷的一種新方法.

以上等人使用仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的研究方法在研究閥門相關(guān)的問題時(shí)取得了較好的結(jié)果，說明了此種研究方法的有效性，本文使用此種方法研究閥門的流量特性.

1 研究對(duì)象

本次所研究的比例噴霧閥為角式單座調(diào)節(jié)閥，實(shí)驗(yàn)過程中通過調(diào)節(jié)其上方的手輪來調(diào)節(jié)該比例噴霧閥的開度來調(diào)節(jié)流量.其整體結(jié)構(gòu)如圖1.

圖1 閥門結(jié)構(gòu)圖

2 實(shí)驗(yàn)研究

本文依據(jù)JB/T5296-1991《通用閥門 流量系數(shù)和流阻系數(shù)的試驗(yàn)方法》[15]設(shè)計(jì)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn).

2.1 實(shí)驗(yàn)的目的和閥門調(diào)節(jié)范圍

實(shí)驗(yàn)的目的是研究現(xiàn)有閥門的流量特性，正式實(shí)驗(yàn)開始前需首先測定閥門的有效調(diào)節(jié)范圍.實(shí)驗(yàn)測得閥門的有效開度為720°.因此定義開度720°為閥門全開，并以此進(jìn)行實(shí)驗(yàn).

圖2所示即為本次實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)裝置的簡化流程圖.

1—水箱；2—泵；3—節(jié)流閥；4—流量計(jì)；5—溫度計(jì)；6—差壓計(jì)；7—實(shí)驗(yàn)閥；8—調(diào)節(jié)閥

進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，實(shí)驗(yàn)閥上游的節(jié)流閥用于限制泵出口的壓頭，實(shí)驗(yàn)閥下游的調(diào)節(jié)閥則用于調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)閥兩端的壓差.兩個(gè)閥門相互配合使實(shí)驗(yàn)閥兩端的壓差為固定值，之后記錄相應(yīng)開度下的流量完成實(shí)驗(yàn).

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3所示為閥門在不同壓差下的固有流量特性曲線.該閥門的流量特性曲線呈上突形狀，可歸類為快開式流量特性.不同壓差下的流量特性是不完全重合的特性曲線.分析流量特性曲線中間區(qū)段的平緩過渡區(qū)則是由閥芯的階梯狀結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的.

圖3 實(shí)驗(yàn)流量特性曲線

3 仿真研究

3.1 流道模型的建立與網(wǎng)格劃分

使用Solidworks對(duì)圖1所示的閥門進(jìn)行開度由0.1、0.2、……1共10個(gè)流道的建模.之后將模型另存.step文件，再導(dǎo)入ansys自帶的Icem進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的劃分，并對(duì)閥芯所在腔室及出口流道進(jìn)行局部加密來提高仿真模擬的精度.所得網(wǎng)格質(zhì)量均大于0.3，滿足仿真計(jì)算的基本要求.

不同開度的網(wǎng)格模型在Fluent中用相同的邊界條件如湍流模型、介質(zhì)屬性、算法等進(jìn)行仿真計(jì)算.設(shè)置液態(tài)水的密度為998.2 kg/m3，湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型.管道入口設(shè)為壓力入口，出口設(shè)置為壓力出口，且兩者壓力差為100 kPa，湍流強(qiáng)度設(shè)為5%，水力直徑是8 mm.仿真的求解采用SIMPLE算法，使用的梯度插值方法為最小二乘法，二階壓力插值法.仿真計(jì)算要求進(jìn)出口流量相同，且不隨著計(jì)算步驟的增加而變化.以此邊界條件進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證和后續(xù)的仿真.見表1.

表1 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證結(jié)果

3.2 仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析

圖4所示實(shí)驗(yàn)所得的流量特性圖像與仿真計(jì)算所得的流量特性曲線存在一定差異.經(jīng)過拆解閥門可得此差異為實(shí)際閥芯尺寸與閥芯圖紙尺寸不同所導(dǎo)致的.不同之處如下：

圖4 實(shí)驗(yàn)與仿真對(duì)比

1)實(shí)際閥芯表面毛刺和劃痕現(xiàn)象較多.

2)實(shí)際閥芯的圓柱與圓臺(tái)過度處有內(nèi)凹現(xiàn)象.

3)閥芯頂部圓柱長度實(shí)測為3.2 mm,而圖紙上該圓柱的高度僅為1 mm，且該圓柱的不同高度處直徑不同.

4)實(shí)測閥座上流道的直徑為7.2 mm，而圖紙上為6.4 mm.

依據(jù)以上幾處實(shí)際與圖紙尺寸的不同重新進(jìn)行建模和仿真計(jì)算.改進(jìn)模擬和依據(jù)圖紙尺寸建模進(jìn)行的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比的誤差如圖5所示.可知改進(jìn)后仿真的誤差較改進(jìn)前明顯縮小，且二者誤差曲線的趨勢基本一致，分析可知，20%開度與50%開度之間的較大誤差是由圓柱與圓臺(tái)連接處圓柱的內(nèi)凹導(dǎo)致的.

圖5 改進(jìn)前后誤差

由圖5分析可知，依據(jù)對(duì)閥芯的實(shí)測尺寸建模并進(jìn)行仿真的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值的匹配度要明顯優(yōu)于依據(jù)圖紙尺寸進(jìn)行的仿真計(jì)算.雖然改進(jìn)后的仿真仍與實(shí)驗(yàn)值有一定差異，但考慮到實(shí)際閥芯表面的劃痕、毛刺和圓柱的內(nèi)凹等現(xiàn)象，此差異在接受范圍內(nèi).

4 結(jié) 語

本文通過設(shè)計(jì)并搭建了試驗(yàn)臺(tái)研究角式單座比例噴霧閥的流量特性，并使用Fluent等軟件進(jìn)行仿真研究.由實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果可知：

1)現(xiàn)有閥門的實(shí)驗(yàn)固有流量特性不是標(biāo)準(zhǔn)的快開式流量特性,其不同壓差下的流量特性曲線為不完全重合的曲線;2)流量特性曲線變化平緩區(qū)段與誤差較大區(qū)域重合，分析此變化趨勢是由圓柱在與圓臺(tái)的連接處的內(nèi)凹所致.此內(nèi)凹導(dǎo)致此區(qū)段的流動(dòng)阻力先變小后變大，從而導(dǎo)致誤差先變大再變小，兩者相符;3)局部較大誤差是實(shí)際閥芯尺寸的微小變化而引起的，可以預(yù)計(jì)尺寸的微小變化導(dǎo)致的誤差會(huì)隨著特征尺寸的減小而增大.因此小尺寸閥門的加工過程應(yīng)保證足夠的加工精度以實(shí)現(xiàn)閥門的設(shè)計(jì)流量特性.