穩壓器噴霧閥的流量特性和流通面積計算

楊佳明 高志新， 李軍業 錢錦遠 金志江

（1.浙江大學化工機械研究所；2.中核蘇閥科技實業股份有限公司）

穩壓器噴霧閥是反應堆冷卻劑系統壓力控制的重要設備之一，位于一回路穩壓器噴淋系統中，其進口與反應堆冷段相連，出口與穩壓器相連，利用冷段與穩壓器的壓差形成介質流，其流量隨穩壓器壓力的變化而變化［1］。此外，由于穩壓器噴霧閥所處工況惡劣，對其結構、壽命、流通能力和密封性能都提出了更高的要求，這些都增加了穩壓器噴霧閥的設計和制造難度。

穩壓器噴霧閥的結構主要有套筒式和V 型球閥式［2］，套筒式的流阻較大、流通能力弱、行程長。 在口徑較小和額定流量要求不高的場合下，套筒式穩壓器噴霧閥是較為經濟的選擇。 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、結構更簡單，適用于大口徑和額定流量要求高的場合［3］。目前，在我國壓水堆核電站中，V 型球閥式穩壓器噴霧閥的應用更為廣泛。

穩壓器噴霧閥進出口壓差較小、 可調比較大， 因此對其流動特性進行研究顯得尤為重要。Merati P 等采用試驗和數值模擬相結合的方法，研究了V 型球閥內渦的分布情況和渦脫落行為，發現在閥門下游管道存在較大的渦［4］。 Chern M J等采用試驗和數值模擬相結合的方法，研究了V型球閥內的空化現象和渦旋的分布情況，發現當三角形流道的角度較小時，閥內會產生嚴重的空化現象［5］。 張立強等利用數值模擬，分析了V 型球閥在不同開度時流場的壓力和速度分布，發現閥內的空化現象隨開度的增加而增強［6］。

以流通面積為中間量，關聯結構參數與流量系數，是V 型球閥設計時的一種常用方法。 祈崇可計算了穩壓器噴霧閥在不同開度時的流通面積，并認為流量系數與流通面積成正比，最后與模擬結果進行比較，得到了較為吻合的結果［7］。張希恒等計算了V 型球閥的流通面積，并根據計算結果對V 型球閥進行了結構優化［8，9］。 孫豐位利用理論計算得到了V 型球閥的流通面積，并利用試驗驗證了理論計算的準確性［10］。 也有學者擬合了V 型球閥的流量特性與結構之間的關系，如Tao J Y 等利用試驗和數值模擬研究了V 型球閥的流動特性， 并擬合了流量系數與開度、V 形切口角度的關系式［11］。

穩壓器噴霧閥的流量特性需滿足等百分比的要求，通過調整閥芯結構參數，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 等采用數值模擬方法， 研究了V 型球閥在不同開度時的流量系數，并以流通面積為依據對V 型球閥的閥芯進行了結構優化，使V 型球閥的流量特性更接近等百分比［12］。

目前，國內外對穩壓器噴霧閥和V 型球閥的相關研究仍較少。 筆者采用數值模擬方法，研究了穩壓器噴霧閥的流量特性，并探討了小開度和關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系，對穩壓器噴霧閥和V 型球閥的設計、優化具有一定的參考意義。

1 計算模型

1.1 幾何模型

某核電站用V 型球閥式穩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成。

圖1 V 型球閥式穩壓器噴霧閥幾何模型與流道模型

為了降低網格劃分難度、 提升網格質量，在進行數值模擬之前， 對流道模型進行了簡化，主要包括：假設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 網格劃分和邊界條件

閥門進出口管道為直管，但閥體內部流道為不規則形狀， 因此采用混合網格對流道進行劃分：進出口管道采用結構網格，閥體內部采用非結構網格，劃分結果如圖2 所示。 為了降低網格數目對計算結果的影響， 進行了網格無關性驗證，結果表明當網格數目為513 萬時，能夠保證數值模擬的精度。

圖2 穩壓器噴霧閥的網格劃分

數值模擬所采用的介質為常溫液態水；進口邊界設為壓力入口，壓力設置為0.1 MPa；出口邊界設為壓力出口，壓力設置為0。由于流體在閥門內會產生湍流，因此采用標準k-ε模型。 壁面采用標準壁面方程， 壓力與速度耦合采用SIMPLE 算法，梯度項采用least squares cell-based，為了保證計算的精度，其余項均以二階迎風格式離散。

1.3 數值模擬可靠性驗證

為了驗證數值模擬方法的可靠性和數值模擬結果的準確性，將數值模擬得到的閥門各開度下的流量系數與實際工況下測得的各開度下的流量系數進行對比，結果如圖3 所示。

圖3 流量特性曲線與實際工況的對比

從圖3 可以看出，模擬得到的流量特性曲線與實際工況下測得的數據吻合度較高，驗證了數值模擬方法的可靠性和結果的準確性。 此外，作出了可調比為50 的等百分比流量特性曲線，從圖中可以看出，較大開度時，穩壓器噴霧閥的流量特性與等百分比流量特性吻合較好，但在小開度時，兩者誤差較大。 這是由于穩壓器噴霧閥在關閉時仍需要持續流動，因此在閥門小開度和關閉條件下，為滿足實際工況，需要對其結構進行調整。

2 數值模擬結果

2.1 閥門流場

當閥門開度小于等于20%時，V 形切口的機構參數是影響穩壓器噴霧閥流量特性的主要因素。 穩壓器噴霧閥的流場在0%～20%與30%～100%兩個開度段表現出明顯的不同。閥門開度小于等于20%時， 各開度的速度云圖如圖4 所示。從圖4 可以看出，隨著閥門開度的增大，閥內最大流速未見顯著增加，并且閥內流場的最大流速總是在V 形切口處，但高速區范圍會隨著開度增加而逐漸增大，除V 形切口區域外，閥內其他區域的速度較小。

圖4 小開度時閥內流場的速度云圖

當閥門開度處于30%～100%時， 不同開度下閥內流場的速度云圖與矢量圖如圖5 所示。

圖5 不同開度時閥內流場的速度云圖與矢量圖

從圖5 可以看出， 隨著閥門開度的增加，閥內的最大流速逐漸增大，閥內的最大流速總位于V 形切口處。 此外，閥門的出口管段存在一個較大的渦，這與文獻［5］中的結論相吻合，隨著閥門開度的增大，渦范圍逐漸變小。 這是因為隨著閥門開度的增大，閥門的流阻逐漸降低，閥內的流場也更接近于直管流動。

2.2 結構參數對閥門流量系數的影響

閥門開度較小時，V 形切口的結構參數是影響閥門流量系數的主要因素。圖6 為V 形切口的張角對閥門流量系數的影響。 從圖6 可以看出，當V 形切口張角一定時， 隨著閥門開度的增大，閥門的流量系數增加；當閥門開度一定時，隨著V 形切口張角的增大，閥門的流量系數總是線性增大。 這可能是因為當閥門開度固定時，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、閥門開度與流量系數的關系

當閥門關閉時，V 形切口的倒角尺寸對閥門的流量系數有較大影響，V 形切口倒角尺寸與閥門流量系數的關系如圖7 所示。 從圖7 可以看出，V 形切口的倒角尺寸對閥門關閉時的流量系數有較大的影響，且隨著倒角尺寸的增大，流量系數逐漸減小。較小的V 形切口倒角尺寸雖然可以增加閥門的流量系數，但倒角尺寸過小可能會在V 形切口處產生應力集中等現象，因此在穩壓器噴霧閥實際設計和生產過程中，應選擇合適的倒角尺寸。

圖7 倒角尺寸與流量系數的關系

3 理論計算結果討論

由于V 型球閥式穩壓器噴霧閥結構簡單，為直通式，可以通過理論計算得到不同開度下閥門的流通面積。 但在閥芯上存在V 形切口，V 形切口結構復雜， 該處的流通面積不易直接求得，且V 形切口尺寸較小，在大開度時對閥門的流量系數影響較小，因此在計算閥門流通面積時，先忽略了V 形切口對流通面積的影響，有、無V 形切口的閥芯結構示意圖如圖8 所示。

圖8 閥芯有、無V 形切口結構示意圖

無V 形切口時，穩壓器噴霧閥的結構參數如圖9 所示，穩壓器噴霧閥的閥座內徑為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， 三角形流道頂點與閥芯圓心在xoy平面上的投影距離為h， 倒角頂點與閥芯圓心在xoy平面的投影距離為K，α為閥門開度，ω表示相對于初始時刻閥芯轉動的角度，圖9a 所示為初始時刻，當閥門開度為0%時，ω=4.5°。

圖9 穩壓器噴霧閥的結構參數

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

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， 閥門的流通面積Ar2=S1+S2，S1、S2的計算方法如下：

參數L的計算公式為：

由以上公式可以得到在各個開度下閥門的流通面積。當閥門開度小于20%時，閥門處于階段一，因此只考慮開度大于20%時的流通面積。各開度對應的流通面積和由流通面積計算得到的相對流量系數見表1［7］。

表1 各開度下閥門的流通面積與相對流量系數

將計算得到的相對流量系數與數值模擬得到的相對流量系數進行比較， 在不同閥門開度下，兩者的誤差見表2。 從表2可以看出，當閥門開度較小時，誤差較大，當閥門開度為30%時，誤差最大，達37.5%，當閥門開度較大時誤差較小。 這是因為在計算流通面積時沒有考慮V形切口的影響，當閥門開度較小時，V形切口對流通面積的影響較大；而當閥門開度較大時，V形切口對流通面積的影響較小。

表2 相對流量系數數值模擬結果與理論計算結果的誤差

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

式中 A（α0）——閥門開度為0%時V型球閥的等效流通面積；

Kv（α0）——閥門開度為0%時V型球閥的流量系數；

Kvγ——閥芯旋轉γ角度時V型球閥的流量系數；

k——比例常數；

γ——閥芯旋轉的角度；

ω0——閥門開度為0%時閥芯轉動的角度。

引入修正面積后，各開度的誤差見表3。 從表3可以看出，在開度較小時，引入修正面積可以顯著降低相對流量系數理論計算結果與數值模擬結果的誤差。

表3 引入修正面積后相對流量系數數值模擬結果與理論計算結果的誤差

當閥芯旋轉角度小于γ時，V形切口結構是影響閥門流通面積的唯一因素， 但V形切口結構復雜，難以直接計算其流通面積。 由于幾何形狀的面積和幾何尺寸總是成二次關系，因此采用二次函數擬合小開度時閥門的流通面積與閥門開度之間的關系，經擬合得到的表達式如下：

結合式（1）～（8），得到各開度下閥門的相對流量系數，并將理論計算結果與數值模擬結果進行比較（圖12）。 從圖12可以看出，理論計算結果與數值模擬結果吻合較好，驗證了理論計算的準確性，因此可以根據理論計算結果對穩壓器噴霧閥和V型球閥進行結構設計和優化。

圖12 理論計算與數值模擬結果比較

4 結束語

筆者采用數值模擬和理論計算相結合的方法，研究了V型球閥式穩壓器噴霧閥的流量特性。通過數值模擬，分析了各個開度下閥門的流量系數、閥內的流場分布，以及小開度條件下，影響閥門流量特性的因素；通過理論計算，得到了閥門在各個開度時的流通面積；得到了在小開度條件下，閥門的流通面積與開度的關系式，并將理論計算結果與數值模擬結果進行了比較，當開度較小時，開度增加不會顯著影響閥內流場的最大速度，當開度較大時，流場的最大速度隨著開度的增大而增加； 閥門出口段存在一個較大的渦，隨著開度的增大，渦范圍逐漸減小；閥門的流量特性在較大開度時與等百分比流量特性較吻合，但在小開度時兩者誤差較大。 在閥門小開度和關閉時，V形切口的結構參數對閥門流量系數有顯著影響：隨著V形切口張角的增大，閥門的流量系數呈線性增加；閥門關閉時，閥門的流量系數隨V形切口倒角尺寸的增大而減小。 理論計算結果與數值模擬結果吻合較好，因此可以根據理論計算結果對穩壓器噴霧閥和V型球閥進行結構設計、優化。