穩(wěn)壓器噴霧閥的流量特性和流通面積計(jì)算

楊佳明 高志新， 李軍業(yè) 錢錦遠(yuǎn) 金志江

（1.浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所；2.中核蘇閥科技實(shí)業(yè)股份有限公司）

穩(wěn)壓器噴霧閥是反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)壓力控制的重要設(shè)備之一，位于一回路穩(wěn)壓器噴淋系統(tǒng)中，其進(jìn)口與反應(yīng)堆冷段相連，出口與穩(wěn)壓器相連，利用冷段與穩(wěn)壓器的壓差形成介質(zhì)流，其流量隨穩(wěn)壓器壓力的變化而變化［1］。此外，由于穩(wěn)壓器噴霧閥所處工況惡劣，對(duì)其結(jié)構(gòu)、壽命、流通能力和密封性能都提出了更高的要求，這些都增加了穩(wěn)壓器噴霧閥的設(shè)計(jì)和制造難度。

穩(wěn)壓器噴霧閥的結(jié)構(gòu)主要有套筒式和V 型球閥式［2］，套筒式的流阻較大、流通能力弱、行程長(zhǎng)。 在口徑較小和額定流量要求不高的場(chǎng)合下，套筒式穩(wěn)壓器噴霧閥是較為經(jīng)濟(jì)的選擇。 與套筒式相比，V 型球閥式的流道呈直通型， 因此其流阻更低、流通能力更強(qiáng)、結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，適用于大口徑和額定流量要求高的場(chǎng)合［3］。目前，在我國(guó)壓水堆核電站中，V 型球閥式穩(wěn)壓器噴霧閥的應(yīng)用更為廣泛。

穩(wěn)壓器噴霧閥進(jìn)出口壓差較小、 可調(diào)比較大， 因此對(duì)其流動(dòng)特性進(jìn)行研究顯得尤為重要。Merati P 等采用試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究了V 型球閥內(nèi)渦的分布情況和渦脫落行為，發(fā)現(xiàn)在閥門下游管道存在較大的渦［4］。 Chern M J等采用試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究了V型球閥內(nèi)的空化現(xiàn)象和渦旋的分布情況，發(fā)現(xiàn)當(dāng)三角形流道的角度較小時(shí)，閥內(nèi)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的空化現(xiàn)象［5］。 張立強(qiáng)等利用數(shù)值模擬，分析了V 型球閥在不同開(kāi)度時(shí)流場(chǎng)的壓力和速度分布，發(fā)現(xiàn)閥內(nèi)的空化現(xiàn)象隨開(kāi)度的增加而增強(qiáng)［6］。

以流通面積為中間量，關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)參數(shù)與流量系數(shù)，是V 型球閥設(shè)計(jì)時(shí)的一種常用方法。 祈崇可計(jì)算了穩(wěn)壓器噴霧閥在不同開(kāi)度時(shí)的流通面積，并認(rèn)為流量系數(shù)與流通面積成正比，最后與模擬結(jié)果進(jìn)行比較，得到了較為吻合的結(jié)果［7］。張希恒等計(jì)算了V 型球閥的流通面積，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)V 型球閥進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化［8，9］。 孫豐位利用理論計(jì)算得到了V 型球閥的流通面積，并利用試驗(yàn)驗(yàn)證了理論計(jì)算的準(zhǔn)確性［10］。 也有學(xué)者擬合了V 型球閥的流量特性與結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，如Tao J Y 等利用試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究了V 型球閥的流動(dòng)特性， 并擬合了流量系數(shù)與開(kāi)度、V 形切口角度的關(guān)系式［11］。

穩(wěn)壓器噴霧閥的流量特性需滿足等百分比的要求，通過(guò)調(diào)整閥芯結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以改變V 型球閥的流量特性， 使其流量特性滿足工位需求。Zhang H 等采用數(shù)值模擬方法， 研究了V 型球閥在不同開(kāi)度時(shí)的流量系數(shù)，并以流通面積為依據(jù)對(duì)V 型球閥的閥芯進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使V 型球閥的流量特性更接近等百分比［12］。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)穩(wěn)壓器噴霧閥和V 型球閥的相關(guān)研究仍較少。 筆者采用數(shù)值模擬方法，研究了穩(wěn)壓器噴霧閥的流量特性，并探討了小開(kāi)度和關(guān)閉條件下影響閥門流量特性的因素，最后分析了流通面積與流量特性的關(guān)系，對(duì)穩(wěn)壓器噴霧閥和V 型球閥的設(shè)計(jì)、優(yōu)化具有一定的參考意義。

1 計(jì)算模型

1.1 幾何模型

某核電站用V 型球閥式穩(wěn)壓器噴霧閥幾何模型和流道模型如圖1 所示，主要由閥體、閥座、閥芯、閥桿及法蘭等部件構(gòu)成。

圖1 V 型球閥式穩(wěn)壓器噴霧閥幾何模型與流道模型

為了降低網(wǎng)格劃分難度、 提升網(wǎng)格質(zhì)量，在進(jìn)行數(shù)值模擬之前， 對(duì)流道模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，主要包括：假設(shè)閥桿與閥芯的連接是光滑的；不考慮閥座與閥體之間的空隙。

1.2 網(wǎng)格劃分和邊界條件

閥門進(jìn)出口管道為直管，但閥體內(nèi)部流道為不規(guī)則形狀， 因此采用混合網(wǎng)格對(duì)流道進(jìn)行劃分：進(jìn)出口管道采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，閥體內(nèi)部采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，劃分結(jié)果如圖2 所示。 為了降低網(wǎng)格數(shù)目對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響， 進(jìn)行了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，結(jié)果表明當(dāng)網(wǎng)格數(shù)目為513 萬(wàn)時(shí)，能夠保證數(shù)值模擬的精度。

圖2 穩(wěn)壓器噴霧閥的網(wǎng)格劃分

數(shù)值模擬所采用的介質(zhì)為常溫液態(tài)水；進(jìn)口邊界設(shè)為壓力入口，壓力設(shè)置為0.1 MPa；出口邊界設(shè)為壓力出口，壓力設(shè)置為0。由于流體在閥門內(nèi)會(huì)產(chǎn)生湍流，因此采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。 壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面方程， 壓力與速度耦合采用SIMPLE 算法，梯度項(xiàng)采用least squares cell-based，為了保證計(jì)算的精度，其余項(xiàng)均以二階迎風(fēng)格式離散。

1.3 數(shù)值模擬可靠性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬方法的可靠性和數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，將數(shù)值模擬得到的閥門各開(kāi)度下的流量系數(shù)與實(shí)際工況下測(cè)得的各開(kāi)度下的流量系數(shù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 流量特性曲線與實(shí)際工況的對(duì)比

從圖3 可以看出，模擬得到的流量特性曲線與實(shí)際工況下測(cè)得的數(shù)據(jù)吻合度較高，驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法的可靠性和結(jié)果的準(zhǔn)確性。 此外，作出了可調(diào)比為50 的等百分比流量特性曲線，從圖中可以看出，較大開(kāi)度時(shí)，穩(wěn)壓器噴霧閥的流量特性與等百分比流量特性吻合較好，但在小開(kāi)度時(shí)，兩者誤差較大。 這是由于穩(wěn)壓器噴霧閥在關(guān)閉時(shí)仍需要持續(xù)流動(dòng)，因此在閥門小開(kāi)度和關(guān)閉條件下，為滿足實(shí)際工況，需要對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整。

2 數(shù)值模擬結(jié)果

2.1 閥門流場(chǎng)

當(dāng)閥門開(kāi)度小于等于20%時(shí)，V 形切口的機(jī)構(gòu)參數(shù)是影響穩(wěn)壓器噴霧閥流量特性的主要因素。 穩(wěn)壓器噴霧閥的流場(chǎng)在0%～20%與30%～100%兩個(gè)開(kāi)度段表現(xiàn)出明顯的不同。閥門開(kāi)度小于等于20%時(shí)， 各開(kāi)度的速度云圖如圖4 所示。從圖4 可以看出，隨著閥門開(kāi)度的增大，閥內(nèi)最大流速未見(jiàn)顯著增加，并且閥內(nèi)流場(chǎng)的最大流速總是在V 形切口處，但高速區(qū)范圍會(huì)隨著開(kāi)度增加而逐漸增大，除V 形切口區(qū)域外，閥內(nèi)其他區(qū)域的速度較小。

圖4 小開(kāi)度時(shí)閥內(nèi)流場(chǎng)的速度云圖

當(dāng)閥門開(kāi)度處于30%～100%時(shí)， 不同開(kāi)度下閥內(nèi)流場(chǎng)的速度云圖與矢量圖如圖5 所示。

圖5 不同開(kāi)度時(shí)閥內(nèi)流場(chǎng)的速度云圖與矢量圖

從圖5 可以看出， 隨著閥門開(kāi)度的增加，閥內(nèi)的最大流速逐漸增大，閥內(nèi)的最大流速總位于V 形切口處。 此外，閥門的出口管段存在一個(gè)較大的渦，這與文獻(xiàn)［5］中的結(jié)論相吻合，隨著閥門開(kāi)度的增大，渦范圍逐漸變小。 這是因?yàn)殡S著閥門開(kāi)度的增大，閥門的流阻逐漸降低，閥內(nèi)的流場(chǎng)也更接近于直管流動(dòng)。

2.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)閥門流量系數(shù)的影響

閥門開(kāi)度較小時(shí)，V 形切口的結(jié)構(gòu)參數(shù)是影響閥門流量系數(shù)的主要因素。圖6 為V 形切口的張角對(duì)閥門流量系數(shù)的影響。 從圖6 可以看出，當(dāng)V 形切口張角一定時(shí)， 隨著閥門開(kāi)度的增大，閥門的流量系數(shù)增加；當(dāng)閥門開(kāi)度一定時(shí)，隨著V 形切口張角的增大，閥門的流量系數(shù)總是線性增大。 這可能是因?yàn)楫?dāng)閥門開(kāi)度固定時(shí)，閥門的流通面積隨V 形切口張角的增加而線性增加。

圖6 切口張角、閥門開(kāi)度與流量系數(shù)的關(guān)系

當(dāng)閥門關(guān)閉時(shí)，V 形切口的倒角尺寸對(duì)閥門的流量系數(shù)有較大影響，V 形切口倒角尺寸與閥門流量系數(shù)的關(guān)系如圖7 所示。 從圖7 可以看出，V 形切口的倒角尺寸對(duì)閥門關(guān)閉時(shí)的流量系數(shù)有較大的影響，且隨著倒角尺寸的增大，流量系數(shù)逐漸減小。較小的V 形切口倒角尺寸雖然可以增加閥門的流量系數(shù)，但倒角尺寸過(guò)小可能會(huì)在V 形切口處產(chǎn)生應(yīng)力集中等現(xiàn)象，因此在穩(wěn)壓器噴霧閥實(shí)際設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過(guò)程中，應(yīng)選擇合適的倒角尺寸。

圖7 倒角尺寸與流量系數(shù)的關(guān)系

3 理論計(jì)算結(jié)果討論

由于V 型球閥式穩(wěn)壓器噴霧閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，為直通式，可以通過(guò)理論計(jì)算得到不同開(kāi)度下閥門的流通面積。 但在閥芯上存在V 形切口，V 形切口結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 該處的流通面積不易直接求得，且V 形切口尺寸較小，在大開(kāi)度時(shí)對(duì)閥門的流量系數(shù)影響較小，因此在計(jì)算閥門流通面積時(shí)，先忽略了V 形切口對(duì)流通面積的影響，有、無(wú)V 形切口的閥芯結(jié)構(gòu)示意圖如圖8 所示。

圖8 閥芯有、無(wú)V 形切口結(jié)構(gòu)示意圖

無(wú)V 形切口時(shí)，穩(wěn)壓器噴霧閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖9 所示，穩(wěn)壓器噴霧閥的閥座內(nèi)徑為D，閥芯半徑為R，閥芯的三角形流道角度為θ，倒角尺寸為r， 三角形流道頂點(diǎn)與閥芯圓心在xoy平面上的投影距離為h， 倒角頂點(diǎn)與閥芯圓心在xoy平面的投影距離為K，α為閥門開(kāi)度，ω表示相對(duì)于初始時(shí)刻閥芯轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，圖9a 所示為初始時(shí)刻，當(dāng)閥門開(kāi)度為0%時(shí)，ω=4.5°。

圖9 穩(wěn)壓器噴霧閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)

如圖9a 所示，當(dāng)ω≤γ時(shí)，閥門的流通面積為零，稱為階段一。 在閥芯旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，共有3 個(gè)階段，另外兩個(gè)階段分別如圖10a、b 所示。 階段二為三角形流道倒角部分r進(jìn)入流道，而三角形的直邊不進(jìn)入流道， 階段三為倒角部分r完全進(jìn)入流道，三角形的直邊也進(jìn)入流道。

圖10 階段二與階段三閥芯的位置

圖11 階段二流通面積示意圖

此時(shí)， 閥門的流通面積Ar2=S1+S2，S1、S2的計(jì)算方法如下：

參數(shù)L的計(jì)算公式為：

由以上公式可以得到在各個(gè)開(kāi)度下閥門的流通面積。當(dāng)閥門開(kāi)度小于20%時(shí)，閥門處于階段一，因此只考慮開(kāi)度大于20%時(shí)的流通面積。各開(kāi)度對(duì)應(yīng)的流通面積和由流通面積計(jì)算得到的相對(duì)流量系數(shù)見(jiàn)表1［7］。

表1 各開(kāi)度下閥門的流通面積與相對(duì)流量系數(shù)

將計(jì)算得到的相對(duì)流量系數(shù)與數(shù)值模擬得到的相對(duì)流量系數(shù)進(jìn)行比較， 在不同閥門開(kāi)度下，兩者的誤差見(jiàn)表2。 從表2可以看出，當(dāng)閥門開(kāi)度較小時(shí)，誤差較大，當(dāng)閥門開(kāi)度為30%時(shí)，誤差最大，達(dá)37.5%，當(dāng)閥門開(kāi)度較大時(shí)誤差較小。 這是因?yàn)樵谟?jì)算流通面積時(shí)沒(méi)有考慮V形切口的影響，當(dāng)閥門開(kāi)度較小時(shí)，V形切口對(duì)流通面積的影響較大；而當(dāng)閥門開(kāi)度較大時(shí)，V形切口對(duì)流通面積的影響較小。

表2 相對(duì)流量系數(shù)數(shù)值模擬結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果的誤差

為解決上述問(wèn)題，在閥門開(kāi)度較小的情況下（α≤40%），引入修正面積AV。 AV表示閥芯旋轉(zhuǎn)γ角度時(shí)V形切口產(chǎn)生的等效流通面積， 其計(jì)算方法如下：

式中 A（α0）——閥門開(kāi)度為0%時(shí)V型球閥的等效流通面積；

Kv（α0）——閥門開(kāi)度為0%時(shí)V型球閥的流量系數(shù)；

Kvγ——閥芯旋轉(zhuǎn)γ角度時(shí)V型球閥的流量系數(shù)；

k——比例常數(shù)；

γ——閥芯旋轉(zhuǎn)的角度；

ω0——閥門開(kāi)度為0%時(shí)閥芯轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。

引入修正面積后，各開(kāi)度的誤差見(jiàn)表3。 從表3可以看出，在開(kāi)度較小時(shí)，引入修正面積可以顯著降低相對(duì)流量系數(shù)理論計(jì)算結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果的誤差。

表3 引入修正面積后相對(duì)流量系數(shù)數(shù)值模擬結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果的誤差

當(dāng)閥芯旋轉(zhuǎn)角度小于γ時(shí)，V形切口結(jié)構(gòu)是影響閥門流通面積的唯一因素， 但V形切口結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以直接計(jì)算其流通面積。 由于幾何形狀的面積和幾何尺寸總是成二次關(guān)系，因此采用二次函數(shù)擬合小開(kāi)度時(shí)閥門的流通面積與閥門開(kāi)度之間的關(guān)系，經(jīng)擬合得到的表達(dá)式如下：

結(jié)合式（1）～（8），得到各開(kāi)度下閥門的相對(duì)流量系數(shù)，并將理論計(jì)算結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行比較（圖12）。 從圖12可以看出，理論計(jì)算結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果吻合較好，驗(yàn)證了理論計(jì)算的準(zhǔn)確性，因此可以根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果對(duì)穩(wěn)壓器噴霧閥和V型球閥進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

圖12 理論計(jì)算與數(shù)值模擬結(jié)果比較

4 結(jié)束語(yǔ)

筆者采用數(shù)值模擬和理論計(jì)算相結(jié)合的方法，研究了V型球閥式穩(wěn)壓器噴霧閥的流量特性。通過(guò)數(shù)值模擬，分析了各個(gè)開(kāi)度下閥門的流量系數(shù)、閥內(nèi)的流場(chǎng)分布，以及小開(kāi)度條件下，影響閥門流量特性的因素；通過(guò)理論計(jì)算，得到了閥門在各個(gè)開(kāi)度時(shí)的流通面積；得到了在小開(kāi)度條件下，閥門的流通面積與開(kāi)度的關(guān)系式，并將理論計(jì)算結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了比較，當(dāng)開(kāi)度較小時(shí)，開(kāi)度增加不會(huì)顯著影響閥內(nèi)流場(chǎng)的最大速度，當(dāng)開(kāi)度較大時(shí)，流場(chǎng)的最大速度隨著開(kāi)度的增大而增加； 閥門出口段存在一個(gè)較大的渦，隨著開(kāi)度的增大，渦范圍逐漸減小；閥門的流量特性在較大開(kāi)度時(shí)與等百分比流量特性較吻合，但在小開(kāi)度時(shí)兩者誤差較大。 在閥門小開(kāi)度和關(guān)閉時(shí)，V形切口的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)閥門流量系數(shù)有顯著影響：隨著V形切口張角的增大，閥門的流量系數(shù)呈線性增加；閥門關(guān)閉時(shí)，閥門的流量系數(shù)隨V形切口倒角尺寸的增大而減小。 理論計(jì)算結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果吻合較好，因此可以根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果對(duì)穩(wěn)壓器噴霧閥和V型球閥進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、優(yōu)化。