安全閥閥腔流動特性分析及數值模擬

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特性對安全閥啟閉性能的影響，加強對安全閥結構的優化與設計。通過計算流體力學對其分析了不同開度下閥腔介質流動特性與壓力分布，以及啟閉時安全閥閥腔流場變化規律及影響因素。結果表明：彈簧的剛度與理論剛度相吻合;導向套開槽尺寸對流量影響不大、套筒斜面角度對流量的影響基本成線性變化、隨著入口口徑的增加質量流量和軸向力均減小。

關鍵詞：核級安全閥;結構設計;流場分析;數值模擬

DOI：10.15938/j.jhust.2020.01.003

中圖分類號： TH122

文獻標志碼： A

文章編號： 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

核級閥門作為核電技術中的重要耗材，其需求規模不斷擴大，其中安全閥在系統中起安全保護作用，保證設備不因高壓而發生事故[1]。本文研究的新型核級安全閥，是一種彈簧式安全閥結構，利用彈簧加載于閥瓣上，屬于直接載荷式安全閥[2]。安全

閥具有結構完善、體積精巧、可施加載荷的范圍較大，并且對振動載荷因素不敏感等優點。但當載荷隨閥瓣的開啟而不斷増加，使得舊結構的彈簧直接載荷式安全閥不能達到較大的閥瓣開啟高度，以至于限制了安全閥的應用范圍，更使得安全閥需要依靠引進國外技術。為了克服上述缺點并加速安全閥國產化，新型核級安全閥的結構可從兩個方面進行改進，進而増大流體介質對閥瓣的作用：第1點可增加閥瓣的有效面積，從而增加承受介質靜壓力和沖擊作用;第2點可通過控制介質的動量的變化，獲得閥瓣升力，這樣可以通過控制彈簧剛度的手段進行。綜合考慮了上述兩種原理，新型核級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用范圍更加廣泛。針對新型核級安全閥流道與閥腔內部流場進行流場分析，利用ANSYS CFX流體仿真軟件分析安全閥流道模型[3]，計算閥瓣的特性曲線以探討彈簧剛度。并針對閥腔結構可利用CFX進行熱流體動力學特性分析[4-8]，計算壓力、速度、溫度分布圖，并根據安全閥結構研究閥腔流量影響因素，為研究閥腔流動特性對安全閥性能的影響奠定了基礎[9]。

從90年代后期開始，CFX技術快速發展，使得安全閥數值模擬仿真模型日趨完善，慢慢開始應用到安全閥研發和設計完善的工程實踐。宋學官[10]是國內完整安全閥系統CFD仿真的開創者，他先后研究了壓力容器、安全閥幾何參數和彈簧剛度等因素對動態特性的影響，但是也無法避免三維模型對計算機資源消耗巨大的缺陷;Anna等[11]的研究是首個使用Fluent Dynamic Layering動網格技術模擬安全閥開啟過程的案例，但是其運動控制方程明顯錯在失真現象;馮進等[12]使用二維的CFD模型對安全閥從開啟到排放的過程進行數值模擬，研究了安全閥的動態特性。

本文利用國際上先進的計算流體仿真技術，通過建立安全閥閥道流場有限元模型，計算不同開度下閥腔介質流動特性與壓力分布，分析啟閉時安全閥閥腔流場變化規律及影響因素。推導出閥瓣升力曲線，獲得導向套開槽尺寸、導向套筒斜面角度和入口閥座口徑對閥腔介質流動特性的影響規律。

1 安全閥流道模型建立

本文研究對象是一種彈簧式核級安全閥結構，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，其結構示意圖如圖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-導向套，14-閥座，15-入口法蘭

安全閥與系統管道采用法蘭連接，安全閥流道具有幾何對稱性，同時為了減少網格數量提高分析效率，取四分之一模型進行有限元分析，并根據系統管路特點，建立了簡化后的新型核級安全閥流道模型，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對安全閥內部流體模型進行仿真分析，模擬安全閥開啟過程中閥瓣所受升力變化，并進行試驗驗證，通過對比，最終確定安全閥升力曲線的數值模擬分析方法。

作為研究安全閥動作特性的基礎，升力曲線表示了流體介質對安全閥閥瓣的相對作用力與相對行程的函數關系。彈簧剛度是影響安全閥動作特性的重要因素之一。通過分析安全閥的特性曲線，即升力曲線與馬赫數曲線，可以計算并得到彈簧的最佳剛度。閥瓣升力曲線是通過模擬閥瓣開度由36mm關閉到1-7mm的過程中閥瓣所受的介質推力得出來的。閥門啟閉過程中，流體介質對閥瓣的升力與彈簧載荷力共同作用，產生了彈簧式安全閥的動作特性（排放壓力，開啟高度，回座壓力等）。對閥瓣施加載荷后的結果分析如表1所示。

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

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

2-2 升力曲線圖與馬赫數分析

由以上結果繪制閥門各個開度狀態下的閥瓣升力曲線，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。通過仿真分析試驗，安全閥閥瓣的開度為3-4mm時升力系數最小，當閥瓣開度為5～30mm之間時，閥瓣升力系數最大，直至趨于平緩沒有起伏。

式中：F為彈簧計算剛度，N/mm;h為閥瓣開啟高度，mm;d0為流道直徑，mm;Dm為關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時的閥瓣升力系數。

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

馬赫數為流場中某點的速度v同該點的當地聲速c之比，被稱為流體力學中表征流體可壓縮程度的一個重要的無量綱參數。馬赫數相對數值越大，閥門回座更加平穩。安全閥排放量大取決于馬赫數高，相當于流體介質的流速高，等同于流體介質在開口處靜壓小。通過得到的升力曲線圖與馬赫數圖，可以確定閥瓣升力大小的范圍，兩個因素可以供設計人員參考，首先確保在相應開度附近，隨著閥門的關閉，介質升力逐漸遠大于彈簧力;其次閥門在初始開度時，介質作用力不能太大，其值要在350kN以下才能保證流量穩定。

3 安全閥閥腔內部流場特性分析

3-1 建立閥腔流場模型

安全閥的三維模型如圖6所示，有限元模型如圖7所示。由于安全閥幾何結構都具有對稱性，所以只需計算整個安全閥模型的1/2。安全閥內部的流動為三維湍流流動，其通用控制方程為[15]：

3-2 閥腔流場與溫度場分析

對安全閥在不同入口壓力、不同開度條件下的流場與溫度場進行了模擬分析，獲得了不同情況下安全閥的壓力分布、速度場和溫度分布規律。開度0-5mm時不同入口壓力下的壓力場分布見圖8、速度分布見圖9。

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

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

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時對稱面的溫度分布圖。最大溫差分別為1-27K、1-16K和1-12K。通過分析其它入口壓力溫度場時發現，溫差很小，入口壓力為3-62MPa時，開度為0-5mm、2-0mm和2-5mm時，溫差分別為1-18K、0-95K和1-04K;入口壓力為2-896MPa時，溫差分別為0-91K、0-84K和0-81K。可以看出，入口壓力相同時，隨著開度的增加溫差減小;開度相同時，隨著入口壓力的增加溫差增大。總體來說溫差都很小。

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，橫坐標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質量流量變化趨勢，橫坐標軸表示安全閥入口不同壓力。分析得知：安全閥的質量流量大小隨壓力的增加而增加。

分析系統對安全閥的導向套開槽尺寸、導向套筒斜面角度和入口閥座口徑進行分析研究，這三個影響因素對于安全閥的壓力場、速度場和受力特性都有影響。本文主要以導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對受力、流量和流場的影響的過程。表3是閥門全開時導向套開槽尺寸變化時的流量和閥瓣軸向力（過冷水對閥瓣向上的力）數據，在入口壓力相同時，導向套開槽寬度對流量的影響很小，高度對流量的影響較大，流量隨導向套開槽度的高度增加而增加，如入口壓力為2-896Mpa時，高度增加40%，流量增加29-3%。

同理可得出：導向套筒斜面角度對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%時質量流量增加17%。角度對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。對于入口閥座口徑對安全閥特性的影響，隨著入口口徑的增加質量流量和軸向力均減小，如入口為2-896MPa時，直徑增加25%，質量流量減小7%，軸向力減小11-5%。隨著口徑的增加，流動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 論

本文通過理論分析和仿真結果分析，得到以下結論：

1）通過分析安全閥閥腔流場特性，計算了閥瓣的升力曲線，驗證了彈簧的剛度與理論剛度相吻合。

2）以安全閥管道內流體的流動模型為基礎，設置不同開口度參數和不同壓力參數，分析流體的速度場和壓力場，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）分析了導向套開槽尺寸、導向套筒斜面角度和入口閥座口徑的對流量影響，得出導向套開槽尺寸對流量影響不大、套筒斜面角度對流量的影響基本成線性變化、隨著入口口徑的增加質量流量和軸向力均減小。

本文為今后安全閥結構設計的優化奠定了基礎，同時也為研究閥腔流動特性對安全閥啟閉性能的影響奠定了基礎。

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（編輯：王 萍）