壓力沖擊作用下升降式止回閥特性仿真研究

□周振棟 金 戈 譚 勇 范 珉

一、引言

秦山核電有限公司一廠二回路輔助給水泵至主給水管之間的升降式止回閥，在應急補水箱定期循環試驗結束后經常出現止回閥關閉不嚴導致內漏，流體倒流現象，操作人員可以通過敲擊閥體使得閥門重新達到關閉。技術人員在閥芯增開導流槽后，減少了此現象發生頻率，但對于導流槽作用機理和效果尚無詳細分析，導流槽設計參數也缺乏理論依據，僅憑經驗確定。

對于升降式止回閥內漏等問題業內已從多個方面進行了研究。祝太富[1]等為提高密封性能和流通能力，提出了取消止回閥的背壓彈簧、減小閥芯與閥座密封接觸面寬度、增加泄壓孔數量和增大閥芯行程的改進設計，實現了降低閥門開啟壓力和提高閥門流通能力的目標。方勝杰等[2]針對止回閥內漏問題，提出了控制導向間隙尺寸和專用胎具研磨等工藝措施，以及增加閥體后提和加長焊接部位長度以減小焊接熱變形等改進設計，閥門密封穩定性得到顯著提高。

上述研究工作能夠幫助人們了解升降式止回閥的技術特性和設計要點。近年來，計算流體力學(Computational Fluid Dynamics, CFD)仿真技術廣泛用于流體機械流場分析與結構設計[3～4]，可以詳細復現閥門工作過程，深入理解閥門內部流動特性，幫助工程師進行閥門優化設計。

本文采用專業的泵閥流體力學模擬軟件PumpLinx針對升降式止回閥動態啟閉過程進行仿真研究，分析止回閥動態響應規律和流動特性，揭示導流槽對于閥芯動作的影響機制與效果。

二、物理模型與數值方法

(一)止回閥結構。研究對象為DN100升降式止回閥，其由閥體、閥蓋、閥套、彈簧和閥芯組成，如圖1所示。止回閥工作時流體由進口流入，閥芯受流體作用被沖開，在閥芯上升過程中上腔室流體經閥芯泄壓孔排出，以減小閥芯開啟時的阻力，當流體靜止或回流時，閥芯受彈簧和自重作用快速回落，閥門關閉。

圖1 止回閥結構

為改善閥門啟閉特性，對止回閥的閥芯進行改造。原型閥芯上僅開了一個d=10mm的泄壓孔。圖2為改造后的閥芯結構，即閥芯上增開了一個泄壓孔，即形成十字泄壓孔，并在閥芯側面增開了4條對稱布置的導流槽，導流槽橫截面尺寸為12mm×6mm。增開泄壓孔和導流槽的作用是保證閥門啟閉過程中流體能夠順利進出閥芯上方腔室。

圖2 改造后閥芯結構

(二)物理模型。根據止回閥結構建立了仿真物理模型。為單獨比較增開泄壓孔和導流槽的作用，建立了三種模型，即原型、改進型1(十字泄壓孔)和改進型2(十字泄壓孔+導流槽)。圖3為改進型2止回閥的物理模型。設置物理模型的入口段長度為5倍管道直徑，出口段長度為10倍的管道直徑。

圖3 改進型2止回閥物理模型

圖4為閥芯與閥座區域的網格示意圖，采用PumpLinx軟件內置的網格模塊對物理模型進行網格劃分，采用滑閥網格模板生成止回閥流體域的結構化網格，同時考慮閥門關閉時的最小間隙。其中，原型止回閥采用兩次滑閥網格模板生成閥門流體域的網格以實現閥芯的從動模擬；改進型止回閥因其閥芯增加導流槽結構需使用滑閥網格模板生成導流槽的動網格，故共使用三次滑閥網格模板生成改進型閥門的動網格。整個流體域網格總數約為60萬。

實際管路中止回閥下游裝有截止閥，整個實驗過程中截止閥保持關閉狀態，故計算域的出口邊界條件設置為壁面。計算域的進口設置為壓力入口條件，壓力為10.0MPa，整個計算域內的初始壓力設置為6.0MPa。

圖4 閥芯與閥座區域網格示意圖

仿真計算時流體介質選擇液態水，同時因管道內壓力較高考慮水的可壓縮性。止回閥的閥芯設置為動邊界，其質量為6.3kg，彈簧預載力為286.2N，彈簧剛度為22N/mm，閥芯阻尼系數為120N·s/m。運用PumpLinx內置的滑閥模塊來模擬閥芯的運動過程，運用MGI(Mismatched Gird Interface)技術創建動靜流體區域的交互面，以實現動靜流體域之間的數據傳遞。

三、結果與分析

(一)位移變化曲線。仿真計算時止回閥啟閉過程是連續的，為便于對比與分析，下文將兩個過程分開展示。圖5(a)為止回閥動態開啟時閥芯位移隨時間的變化曲線。三種模型閥芯最終開啟高度較為接近，均在1.3mm左右。原型止回閥開啟過程中出現了明顯的振蕩，即出現閥門開度增大-減小-又增大的現象。改進型1也有振蕩，但其幅度明顯減小。改進型2則不存在振蕩現象。

由于閥門出口管路封閉，當閥門由于兩側差壓而開啟后，兩側流體很快達到壓力平衡，之后閥芯因彈簧力和重力作用進入關閉過程。圖5(b)為止回閥關閉時閥芯的位移曲線。關閉過程中，原型閥門依舊存在明顯振蕩，頻率比開啟過程高很多。改進型1閥芯運動仍有振蕩，但幅值減小。改進型2閥芯則全程無振蕩，快速回落至閥座。

(a)開啟過程

表1列出了止回閥動態開啟和關閉時間。閥門開啟時間很短，均不到3ms，與原型相比，改進型1和2的動態開啟時間分別縮短了10%和18%。與原型相比，改進型1閥門的關閉時間無明顯變化，均為27ms左右，但改進型2閥門的關閉時間顯著縮短，僅1.6ms，減少了94%。

表1 止回閥動態響應特性

顯然，由于增加了泄壓孔和導流槽，閥門開啟和關閉速度增大，而且兩種改進型閥芯的振蕩程度均減弱，這是因為增加的泄壓孔和導流槽使得流體能夠更加及時地流入與排出閥芯。

(二)閥芯所受流體力。圖6為閥芯所受x方向流體力。x方向為流體流動方向。開啟過程的前半段，流體沖擊作用下止回閥開啟，流體流入，同時受兩側壓力作用，閥芯x方向力，原型達到3kN，改進型略小；后半段，閥芯x方向受力方向發生變化，數值上原型超過3kN，改進型1接近3kN，改進型2大約為2kN。

(a)開啟過程

關閉過程后半段，原型和改進型1的x方向作用力在±3kN和±2kN之間振蕩，前半段x方向力基本為0；改進型2關閉過程x受力無振蕩現象，初始約為0.5kN左右，之后數值和方向逐漸變化，最終穩定在1.0kN左右。

較大的x方向流體力會使閥芯軸線偏斜，造成閥芯與閥套接觸摩擦阻力增大，甚至卡滯。由此可知，原型閥門由于開啟和關閉過程中，x方向流體作用力較大，閥芯發生軸線偏斜和不能正常回座的概率較大。增開導流槽后，改進型2閥芯在開啟和關閉過程中所受x方向流體力顯著減小，基本沒有振蕩現象，大大降低了閥芯回落過程中發生偏斜的概率，這也是實際發現增開導流槽后發生泄漏次數減少的根本原因。

綜合閥門啟閉過程中閥芯位移曲線和閥芯所受流體力情況，可對升降式止回閥內漏原因及其閥芯結構的改進機制進行簡單分析。無論是原型止回閥還是其改進型，當水泵啟動管路壓力升高時，閥門開啟，閥門前后壓力很快達到平衡，閥芯回座。原型止回閥在開啟和關閉過程中由于流體進出閥芯上方空腔不順暢，出現較為嚴重的振蕩現象，導致開啟和關閉時間延長，閥芯在x方向受流體力作用比較大，使得閥芯偏斜以及與閥套摩擦卡住的概率較大。當閥芯出現卡塞時，通過敲擊閥體產生振動，閥芯可能回落到正確位置，恢復密封，這也是現場操作人員使用這個方法為何有效的原因。

改進型1增加了一個泄流孔，對于閥門開啟和關閉過程影響效果不是非常明顯。改進型2增加4個導流槽作用比較顯著，使得流體進出閥芯空腔較為順暢，閥門開啟和關閉時閥芯不再振蕩，且大大減少了關閉時間，閥芯所受x方向流體力也減小，使得閥芯出現卡塞的幾率變小，這也是現場改造后泄漏現象減少的原因。

四、結語

采用流體力學仿真方法，針對升降式止回閥在下游截止閥關閉情況下因壓力沖擊作用而開啟和關閉過程進行研究，探討止回閥內漏出現的原因及其改進措施。主要結果如下。

(一)在下游截止閥關閉情況下，原型和改進型止回閥閥芯開啟高度均在1.3mm左右。原型止回閥開啟和關閉過程中閥芯運動出現明顯的振蕩，即出現閥門開度增大-減小-又增大的現象。增加一個泄流孔(改進型1)后，閥芯運動仍有振蕩，但幅度明顯減小。進一步增開導流槽(改進型2)后，閥芯運動振蕩現象消失。與原型止回閥相比，改進2止回閥的動態關閉時間顯著縮短。

(二)閥門開啟和關閉過程中，閥芯所受x方向流體力，原型超過3kN，改進型1略小，兩者都存在明顯振蕩。改進型2閥芯所受x方向流體力相對較小，約為2kN。結合閥門內部流場分析，改進型2增加4個導流槽后，流體進出閥芯空腔非常順暢，閥門開啟和關閉時閥芯不再振蕩，且大大減少了關閉時間，閥芯x方向流體力也減小，由此可推測閥芯出現卡塞的幾率變小。