對(duì)沖式止回閥低流量關(guān)閉過程動(dòng)態(tài)特性分析

楊志達(dá)，陳炳德，黃偉，韓偉實(shí)，張志明

(1.中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610041;2.哈爾濱工程大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001;3.中國核電工程有限公司，北京100840)

為了增加動(dòng)力裝置的生命力，在每條回路中設(shè)置了2臺(tái)泵，由于這一特殊結(jié)構(gòu)，必須在每臺(tái)泵出口處設(shè)置止回閥以防止冷卻劑倒流［1］。同時(shí)要求閥門的關(guān)閉速度不能過快，否則可能會(huì)引起嚴(yán)重的水錘現(xiàn)象，造成管道、泵等設(shè)備的嚴(yán)重?fù)p壞。另外，還需要止回閥有一定的泄漏量，否則開啟備用回路時(shí)會(huì)對(duì)其造成一定的熱沖擊，引起材料熱疲勞。由此可見，止回閥的作用在動(dòng)力裝置中非常重要。目前常見的止回閥有旋啟式、雙碟式、升降式、斜碟式，這些止回閥的流體運(yùn)動(dòng)方向與閥頭運(yùn)動(dòng)方向一致，可能導(dǎo)致嚴(yán)重的水錘現(xiàn)象和閥頭與閥座的撞擊。如果流體運(yùn)動(dòng)方向與閥頭運(yùn)動(dòng)方向相反，則閥頭會(huì)與流體相互形成阻尼，將會(huì)大大減弱水錘現(xiàn)象和閥頭與閥座的撞擊。本文利用此原理研制了對(duì)沖式止回閥，其抑制水錘和閥頭與閥座撞擊能力較好，高流量下啟閉特性較好，但低流量下關(guān)閉可靠性不高，需要對(duì)其關(guān)閉過程的動(dòng)態(tài)特性應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)進(jìn)一步研究。

1 模型的建立

圖1為動(dòng)力裝置實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡圖，為增加可靠性，設(shè)置了2臺(tái)泵。當(dāng)1號(hào)泵停閉后開啟2號(hào)泵時(shí)，1號(hào)止回閥應(yīng)可靠關(guān)閉，否則部分冷卻劑會(huì)在1號(hào)泵和2號(hào)泵之間形成小循環(huán)，防止造成事故。

圖1 動(dòng)力裝置系統(tǒng)簡圖Fig.1 Sketch of power unit system

1.1 原理

對(duì)沖式止回閥結(jié)構(gòu)圖如圖2［2］，對(duì)沖式止回閥利用差動(dòng)活塞實(shí)現(xiàn)閥頭與流體的對(duì)沖運(yùn)動(dòng)。所謂對(duì)沖運(yùn)動(dòng)是指閥頭的運(yùn)動(dòng)方向與流體的流動(dòng)方向相反，止回閥在流體順流時(shí)能夠快速開啟，在流體逆流時(shí)閥頭能與流體相互形成阻尼，并完成關(guān)閉運(yùn)動(dòng)。

圖2 止回閥結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure map of DC check valve

對(duì)沖式止回閥的閥頭關(guān)閉驅(qū)動(dòng)力主要是由沖壓腔內(nèi)側(cè)、沖壓腔外側(cè)和閥頭前端3個(gè)區(qū)域所形成的壓差提供的［3-4］。當(dāng)流體順流開啟時(shí)，流體經(jīng)過閥頭與閥體的節(jié)流作用后壓力下降，所以閥頭前端處于低壓區(qū)，因沖壓腔內(nèi)側(cè)與沖壓管相通，沖壓管開口處于低壓區(qū)，故沖壓腔內(nèi)側(cè)為低壓區(qū)，而沖壓腔外側(cè)位高壓區(qū)，且因活塞直徑大于閥頭直徑，所以作用于閥頭上的合力指向開啟方向，閥門打開。閥頭的移動(dòng)方向與流體流動(dòng)的方向相反。

當(dāng)流體逆流關(guān)閉時(shí)，沖壓腔內(nèi)流體速度很低，壓力近似于滯止壓力，所以處于高壓區(qū)，而閥頭前端和沖壓腔外側(cè)流體速度較快，處于低壓區(qū)，且活塞直徑大于閥座直徑，所以作用于閥頭上的合力指向關(guān)閉方向，閥門關(guān)閉。閥頭的運(yùn)動(dòng)方向與流體的流動(dòng)方向相反。另外，閥座是可活動(dòng)的，在流體節(jié)流作用下，可加速閥門的關(guān)閉。

1.2 動(dòng)力學(xué)模型

閥頭上的壓差取決于閥內(nèi)流場(chǎng)的壓力分布，該壓差產(chǎn)生閥頭賴以完成啟閉動(dòng)作的驅(qū)動(dòng)力，而閥頭的運(yùn)動(dòng)直接影響閥內(nèi)流場(chǎng)，流場(chǎng)的變化又反過來影響閥內(nèi)流場(chǎng)的分布。如圖3所示，是利用CFD技術(shù)模擬對(duì)沖式止回閥啟閉動(dòng)態(tài)過程的程序流程圖，對(duì)沖式止回閥的動(dòng)態(tài)過程是一個(gè)耦合的閉環(huán)過程，需用數(shù)值計(jì)算的方法求解。

圖3 DC止回閥動(dòng)力學(xué)流程圖Fig.3 Dynamics flow diagram of DC check valve

由于止回閥的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，導(dǎo)致其流場(chǎng)、壓力場(chǎng)分布也比較復(fù)雜，所以在建立流道時(shí)進(jìn)行了必要簡化。根據(jù)圖3中所示壓力分布、閥頭驅(qū)動(dòng)力以及閥頭運(yùn)動(dòng)速度的耦合關(guān)系，可以得到閥頭閥座的受力方程。閥頭、閥座的受力方程遵循牛頓第二定律，其中閥座比閥頭多彈簧的推力。以下為閥座的力學(xué)方程。

根據(jù)牛頓第二定律，有

其差分格式和邊界條件為

式中:m為閥座質(zhì)量，kg;Fflow為流體作用力，N;Fspring為彈簧作用力，N;vi為閥頭在i時(shí)刻的速度，m/s;si為閥頭在i時(shí)刻的位移，m;k為彈簧系數(shù)，N/m。

將以上運(yùn)動(dòng)方程編譯成Fluent用戶自定義文件(UDF)程序，與FLUENT相連接定義閥座的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。閥頭的運(yùn)動(dòng)程序參照閥座的運(yùn)動(dòng)程序，需將彈簧的系數(shù)k定義為零。

1.3 數(shù)值計(jì)算與邊界條件

采用有限體積法求解，壓力項(xiàng)用標(biāo)準(zhǔn)格式離散，其余都用一階迎風(fēng)格式離散，壓力速度耦合方式用SIMPLE算法求解。進(jìn)出口邊界類型設(shè)定為壓力進(jìn)口和出口，進(jìn)口壓力100 kPa，出口壓力96 kPa。工作壓力設(shè)定為 101.325 kPa。計(jì)算流體的密度為 998.2 kg/m3，粘性系數(shù)為 0.001 N·s/m3。湍流強(qiáng)度 0.03，水力直徑0.28 m，動(dòng)網(wǎng)格彈性系數(shù) 0.8，邊界松弛因子 0.8。

2 動(dòng)網(wǎng)格的生成

對(duì)沖式止回閥在關(guān)閉過程中流域形狀不斷發(fā)生改變，其動(dòng)態(tài)過程可通過對(duì)比不同工況下閥頭、閥座所受的力和速度的變化分析。通過對(duì)比不同工況下的冷卻劑流量變化判斷閥門的關(guān)閉特性，這樣可確定不同狀態(tài)下的閥門工作狀態(tài)。利用FLUENT中動(dòng)網(wǎng)格設(shè)置以及歐拉顯式方程編寫UDF程序，通過流場(chǎng)分析對(duì)閥頭閥座進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，可對(duì)對(duì)沖式止回閥的關(guān)閉過程實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)可視化模擬［6-7］。

2.1 動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)

所選的網(wǎng)格為三角形和正四面體，所以采用彈簧近似光滑模型，但此模型不能用于運(yùn)動(dòng)變化幅度較大的模型。為了保證網(wǎng)格在更新過程的可靠性，還選用了局部網(wǎng)格重劃模型，確保閥頭、閥座運(yùn)動(dòng)較大時(shí)網(wǎng)格不出現(xiàn)負(fù)體積。

流場(chǎng)控制模型是基于流域固定形狀的情況，當(dāng)采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)后，計(jì)算區(qū)域是變化的，所以要對(duì)上述流場(chǎng)控制模型進(jìn)行改造，即考慮動(dòng)邊界移動(dòng)的影響［8-10］，表達(dá)式如下:

式中:ρ為液體的密度，kg/m3;u為液體的速度矢量;us為動(dòng)網(wǎng)格的網(wǎng)格變形速度;Γ為擴(kuò)散系數(shù);A為控制體表面積;Sφ為通量的源項(xiàng)φ;?V為控制體V的邊界。

2.2 UDF 程序

對(duì)沖式止回閥的關(guān)閉過程即力的平衡過程，對(duì)其進(jìn)行關(guān)閉過程的動(dòng)態(tài)研究，需要首先對(duì)其進(jìn)行受力過程分析，根據(jù)止回閥的結(jié)構(gòu)尺寸建立其全開三維實(shí)體模型，選擇相應(yīng)的計(jì)算模型，根據(jù)閥座和閥頭的運(yùn)動(dòng)情況，通過適時(shí)地生成和消亡網(wǎng)格更新計(jì)算區(qū)域，完成閥門關(guān)閉過程的模擬。利用牛頓第二定律的歐拉顯式方程式:

式中:vt為t時(shí)刻閥頭速度，m/s;vt-Δt為閥頭 Δt時(shí)刻前速度，m/s;P為閥頭所受壓強(qiáng)，Pa;A為閥頭面積，m2;F為所受到的反向力，N;m為閥頭質(zhì)量，kg;Δt為時(shí)間間隔，s。由式(12)描述閥頭和閥座運(yùn)動(dòng)，通過編譯動(dòng)網(wǎng)格UDF自定義宏，對(duì)每一時(shí)間步中的節(jié)點(diǎn)位置進(jìn)行更新。

3 模擬結(jié)果及分析

為了研究對(duì)沖式止回閥關(guān)閥動(dòng)態(tài)過程，模擬了其內(nèi)部壓力云圖、速度場(chǎng)、流量特性、閥頭閥座受力情況。通過對(duì)比不同壓差下閥頭、閥座受力以及速度變化，分析閥頭、閥座的運(yùn)動(dòng)情況。通過對(duì)比不同壓差下閥門的流量變化判斷閥門的關(guān)閉特性，可清楚地了解不同狀態(tài)下閥門的工作狀態(tài)。模擬中選取的壓差分別為2、3、4、5 kPa 4種情況進(jìn)行分析。

3.1 閥內(nèi)的流場(chǎng)分布

如圖4為對(duì)沖式止回閥關(guān)閉時(shí)的靜壓云圖，由圖可以看出，流體流動(dòng)方向?yàn)槟媪?，止回閥關(guān)閉以后，壓力腔、沖壓管內(nèi)部以及右側(cè)管道為高壓區(qū)，左側(cè)管道為低壓區(qū)，如此可保證閥門處于關(guān)閉狀態(tài)，直到流體向右反向流動(dòng)時(shí)閥門被打開。如果流體運(yùn)動(dòng)方向?yàn)轫樍?，則沖壓管內(nèi)部與壓力腔內(nèi)部為低壓區(qū)，靠活塞與閥頭面積之差所產(chǎn)生的力使得閥頭向左側(cè)運(yùn)動(dòng)。

圖4 對(duì)沖式止回閥關(guān)閉時(shí)的靜壓云圖Fig.4 Static pressure nephogram of DC check valve closed

3.2 流量特性

流量特性是閥門重要性能指標(biāo)，圖5給出了對(duì)沖式止回閥在關(guān)閉過程中，不同壓差下閥門關(guān)閉時(shí)入口流量的數(shù)值模擬結(jié)果。

由圖5可知，隨著壓差的增大流量變化劇烈。壓差越大，初始流量也越大，剩余流量也越大。從動(dòng)態(tài)過程來看，流量在閥關(guān)閉過程中先緩慢變化，然后急劇減小。這是由于閥頭閥座的運(yùn)動(dòng)速度逐漸增大所致。在關(guān)閉過程結(jié)束時(shí)，存在剩余流量。這是由于對(duì)沖式止回閥關(guān)閉過程中，閥頭閥座在閥門開度較小時(shí)速度較大，單位時(shí)間步長內(nèi)的運(yùn)動(dòng)距離較大而造成的。另一個(gè)原因是FLUENT的計(jì)算區(qū)域必須要有網(wǎng)格，所以只能模擬到閥門開度很小的情況。

圖5 對(duì)沖式止回閥流量圖Fig.5 Chart of mass flow rate

3.3 閥頭閥座分析

圖6為4種不同壓差下閥頭、閥座的受力圖，由圖可知隨著壓差的增大，閥頭閥座所受到的力在增大。閥門的開度越小，閥頭閥座力的變化越劇烈。且隨壓差的增大，閥門的關(guān)閉時(shí)間也越短。

圖6 對(duì)沖式止回閥閥頭、閥座受力圖Fig.6 Force diagram of DC check valve head and seat

圖7為閥頭、閥座速度變化曲線，由圖可知，閥頭、閥座速度與壓差和開度有關(guān)，隨壓差增大而增大，隨開度減小而增大。

4種壓差下閥頭、閥座受力，閥頭、閥座的最大速度，起始流量及剩余流量的數(shù)值如表1所示。

圖7 對(duì)沖式止回閥閥座速度圖Fig.7 Velocity diagram of DC check valve head and seat

表1 不同壓差下閥頭、閥座參數(shù)Table 1 Parameter of valve head and seat at different pressure

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)按圖1所示的回路建立實(shí)驗(yàn)臺(tái)架，2臺(tái)泵分別由2臺(tái)變頻器控制轉(zhuǎn)速，從而控制泵流量。測(cè)點(diǎn)主要有1、2號(hào)閥閥前、閥內(nèi)、閥后的壓力以及回路的流量。通過這些數(shù)據(jù)可以對(duì)閥的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行分析。閥的關(guān)閉狀態(tài)通過3種方法來判斷:

1)通過主環(huán)路的電磁流量計(jì)進(jìn)行判斷。通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)流量和在該頻率下的理論流量來判斷閥的關(guān)閉程度，2個(gè)值接近時(shí)表明閥門已將關(guān)閉。

2)通過閥頭關(guān)閉時(shí)的聲音判斷其運(yùn)動(dòng)情況。閥門關(guān)閉時(shí)會(huì)聽見一聲很小的水擊聲，若聽見此聲音則表明閥門已關(guān)閉，否則沒有關(guān)閉。

3)通過閥體上的觀察孔進(jìn)行觀察。通過觀察和標(biāo)記閥頭閥座的位置來判斷。

為得到流量和壓差的關(guān)系，選取了流量分別為0、100、200、300、400、500、600 t/h 的節(jié)點(diǎn)分析。選取節(jié)點(diǎn)上閥前、閥后壓力，計(jì)算得出前后壓差，得到表2［11］。

表2 不同流量止回閥前后壓力及壓差Table 2 Pressure before and after valve and pressure difference at different flow rates

實(shí)驗(yàn)的關(guān)閉時(shí)間大致在5 s左右，比計(jì)算時(shí)間大很多(計(jì)算時(shí)間不超過1 s，而且壓差越大，關(guān)閉時(shí)間越短，壓差為4 kPa時(shí)閥門的關(guān)閉時(shí)間為0.508 s)。這是由于沒有考慮滑動(dòng)套與沖壓管之間的摩擦造成的，另外，雙泵切換時(shí)流體的換向需要一定時(shí)間也造成了關(guān)閉時(shí)間的延遲。

5 結(jié)論

通過對(duì)對(duì)沖式止回閥的動(dòng)態(tài)計(jì)算和分析可得到如下結(jié)論:

1)閥座的運(yùn)動(dòng)對(duì)于閥頭受力有很大影響。隨著閥座的關(guān)閉運(yùn)動(dòng)，閥頭所受的瞬態(tài)力逐步增大，閥門的關(guān)閉會(huì)越來越快，增加了閥門關(guān)閉的可靠性。

2)對(duì)不同壓差下對(duì)止回閥的動(dòng)態(tài)計(jì)算結(jié)果的分析表明，隨著閥門開度減小，閥頭、閥座受力不斷增大，閥頭、閥座速度不斷增加。閥座受力和速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于閥頭受力和速度。閥門所受壓差越大，關(guān)閉時(shí)間越短。

3)試驗(yàn)中關(guān)閉時(shí)間在5 s左右，遠(yuǎn)大于計(jì)算時(shí)間是由于實(shí)驗(yàn)過程閥頭、閥座的運(yùn)動(dòng)受到滑動(dòng)套與沖壓管之間滑動(dòng)摩擦力的影響，在計(jì)算中沒有考慮此影響。另外，雙泵切換有時(shí)間差會(huì)造成流體換向時(shí)間延遲，也會(huì)影響關(guān)閉時(shí)間。

4)低流量下對(duì)沖式止回閥關(guān)閉的可靠性依然是其面臨的主要問題，還需參數(shù)敏感性分析進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以及實(shí)驗(yàn)兩方面加以解決。

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