幾何結(jié)構(gòu)對水力緩沖結(jié)構(gòu)性能的影響研究

楊靈均，金　遠(yuǎn)，董岱林，宮汝志，李　威

(1.中國核動力研究設(shè)計院反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)國家重點實驗室，成都 610041；

2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150001)

Influence of Geometry on Hydraulic Buffer Performance

YANG Lingjun1，JIN Yuan1，DONG Dailin1，GONG Ruzhi2，LI Wei2

(1.National Key Laboratory of Reactor System Design, Nuclear Power Institute of China,Chengdu 610041，China；

2.School of Energy Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001，China)

幾何結(jié)構(gòu)對水力緩沖結(jié)構(gòu)性能的影響研究

楊靈均1，金遠(yuǎn)1，董岱林1，宮汝志2，李威2

(1.中國核動力研究設(shè)計院反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)國家重點實驗室，成都 610041；

2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150001)

Influence of Geometry on Hydraulic Buffer Performance

YANG Lingjun1，JIN Yuan1，DONG Dailin1，GONG Ruzhi2，LI Wei2

(1.National Key Laboratory of Reactor System Design, Nuclear Power Institute of China,Chengdu 610041，China；

2.School of Energy Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001，China)

摘要：運用CFD方法對不同結(jié)構(gòu)尺寸的緩沖器在導(dǎo)向筒內(nèi)的下落過程進(jìn)行三維流場數(shù)值分析，研究了緩沖結(jié)構(gòu)對緩沖效果的主要因素及其影響程度。通過計算，得到各工況緩沖過程中速度、加速度等關(guān)鍵參數(shù)隨時間、位移的動態(tài)變化規(guī)律。結(jié)果表明，緩沖器頂端直徑及導(dǎo)向筒底部圓孔尺寸等幾何結(jié)構(gòu)，對水力緩沖結(jié)構(gòu)的緩沖性能有顯著影響。

關(guān)鍵詞：水力緩沖器；數(shù)值模擬；影響因素

中圖分類號：TL333

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-2257(2015)07-0024-04

收稿日期：2015-02-27

作者簡介：楊靈均(1984-)，男，四川閬中人，工程師，從事反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)設(shè)計；金遠(yuǎn)(1984-)，男，江蘇揚州人，工程師，從事反應(yīng)堆熱工水力分析。

Abstract：In order to study the affecting factors of buffering, the 3D flow field of the hydraulic absorber, which was falling within guide cylinders of different structural sizes, was studied with the CFD code in the paper. The inner flow field and dynamic principle of the displacement, velocity and acceleration were obtained. The results indicated that different structural parameters such as the absorber top diameter and the hole diameter at the bottom of the guide cylinder have significant influence on buffering effect.

Key words：hydraulic buffer; numerical simulation; affecting factors

0引言

水力緩沖結(jié)構(gòu)通過連接桿、緩沖器、螺旋彈簧及彈簧座等部件，將運動部件下落過程中的沖擊能量轉(zhuǎn)化為水的動能和螺旋彈簧的勢能[1]。水力緩沖結(jié)構(gòu)位于運動部件末端，與其一起置于導(dǎo)向筒內(nèi)，并從水中自由下落。水力緩沖結(jié)構(gòu)避免了運動部件由于碰撞發(fā)生變形和損壞，同時也能夠使運動部件的速度變化規(guī)律滿足其工作環(huán)境的要求[2]。

為了研究緩沖結(jié)構(gòu)的緩沖性能，了解影響緩沖結(jié)構(gòu)對緩沖效果的主要因素及其影響程度，采用CFD方法建立模型，對緩沖過程中緩沖器自由下落階段進(jìn)行仿真分析，為水力緩沖器的結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能優(yōu)化提供依據(jù)。

1計算模型

1.1　幾何結(jié)構(gòu)和建模

水力緩沖器由連接桿、緩沖器、螺旋彈簧以及彈簧座組成，因只討論緩沖器下落過程，可將模型進(jìn)行簡化，不考慮緩沖器內(nèi)部細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)，而將它們視為一個整體。本文分別研究緩沖器頂端直徑以及導(dǎo)向筒底部圓孔尺寸對緩沖效果的影響。

根據(jù)緩沖器的結(jié)構(gòu)尺寸，采用NX6.0軟件對各工況下緩沖器和導(dǎo)向筒幾何進(jìn)行建模。

1.2　網(wǎng)格劃分

根據(jù)幾何模型的結(jié)構(gòu)特點，將整體計算域劃分為fluid in和fluid out。對計算域的前處理采用GAMBIT軟件進(jìn)行混合網(wǎng)格劃分，如圖1所示。主流區(qū)域為六面體網(wǎng)格，局部位置為四面體網(wǎng)格，這樣既減少網(wǎng)格數(shù)量，又提高了計算速度和求解精度。網(wǎng)格總數(shù)為800萬。

圖1　計算域網(wǎng)格

1.3　數(shù)學(xué)模型

由于水力緩沖器內(nèi)水的溫度變化很小，忽略溫度的影響。采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型后，緩沖器三維流場的基本控制方程如下所述[3]。

連續(xù)性方程：

(1)

動量方程：

(2)

湍流動能k方程：

pk-ρε

(3)

湍流耗散率ε方程：

(4)

ρ為流體密度；t為時間；U為流體時均速度矢量；μeff為考慮了湍流效應(yīng)的有效黏度；μt為湍流黏度；p為修正壓力；SM為體積力的總和；常數(shù)Cμ=0.09,Cε1=1.44,Cε2=1.92,σk=1.0，σε=1.3；pk為黏性產(chǎn)生項。

pk為：

U+ρk)

(5)

采用有限體積法對控制方程組進(jìn)行離散化處理，將偏微分方程組轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程組，使用SIMPLE算法求解。

2數(shù)值求解

為了真實模擬緩沖器運動過程中內(nèi)部的流場，利用FLUENT軟件所提供動網(wǎng)格技術(shù)及用戶自定義函數(shù)UDF，對運動過程進(jìn)行非定常數(shù)值模擬[4]。

2.1　動網(wǎng)格技術(shù)和UDF

由于緩沖器在導(dǎo)向筒內(nèi)處于運動狀態(tài)，導(dǎo)致模擬的計算區(qū)域也隨時間發(fā)生改變，動網(wǎng)格技術(shù)就是為了適應(yīng)計算區(qū)域的變化新發(fā)展出來的網(wǎng)格技術(shù)，通過拉伸、壓縮網(wǎng)格或者增加、減少網(wǎng)格以及局部生成網(wǎng)格來適應(yīng)計算區(qū)域的改變。由于計算區(qū)域的改變方式有很多種，動網(wǎng)格的更新方式也有所不同，主要有3種方式：彈簧近似光滑法、動態(tài)分層法、局部網(wǎng)格重劃法，各自適用不同的網(wǎng)格類型和運動情況[5]。這里選定動態(tài)分層法。

采用6DOF動網(wǎng)格計算，而6DOF是需要定義UDF宏的。UDF用于定義緩沖器下落的運動規(guī)律，使緩沖器實現(xiàn)連續(xù)的下落過程，并根據(jù)運動規(guī)律相應(yīng)地編寫C語言程序。

2.2　邊界條件

計算邊界條件選擇壓力出口，出口壓力為0 Pa，近壁面處理選用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。根據(jù)運動的特點和網(wǎng)格劃分情況，在FLUENT中恰當(dāng)?shù)剡x取動網(wǎng)格的交界面和動靜面及完成相關(guān)參數(shù)的設(shè)定。

3結(jié)果分析

3.1　緩沖器頂部外圓尺寸影響分析

分析緩沖器頂部外圓尺寸對緩沖效果的影響時，固定其他部分結(jié)構(gòu)，即不開節(jié)流孔和方孔，導(dǎo)向筒內(nèi)徑固定為114 mm。改變緩沖器頂部外圓直徑，分別給定為108 mm，110 mm，112 mm，113 mm，即緩沖器與導(dǎo)向筒間的單邊間隙為3 mm，2 mm，1 mm，0.5 mm時，研究緩沖器的運動規(guī)律。

計算得到的緩沖器下落過程的速度隨時間和位移變化曲線如圖2和圖3所示。在速度隨時間變化的過程中，4種不同工況中緩沖器速度曲線在約0.23 s之前基本重合，即在緩沖裝置頂端進(jìn)入到導(dǎo)向筒前，4種工況緩沖裝置的加速過程區(qū)別不大；在緩沖裝置頂端完全進(jìn)入導(dǎo)向筒之后，4種工況下緩沖裝置的速度變化開始出現(xiàn)差異，從圖2和圖3看出，隨著緩沖裝置頂端直徑的變大(緩沖器與導(dǎo)向筒間隙變小)，運動中產(chǎn)生的阻力越大，速度增加的就更加緩慢。

圖2　速度隨時間變化曲線

圖3　速度隨位移變化曲線

在運動進(jìn)行到0.8 m左右的時候，即緩沖裝置彈簧座運動到導(dǎo)向筒徑變窄的位置時，緩沖作用明顯增強；隨后當(dāng)緩沖器下端運動到導(dǎo)向筒徑變窄的位置時，4種不同的工況也呈現(xiàn)出不同的變化幅度，隨著緩沖器頂端直徑的增加阻力也隨之增加；最后當(dāng)緩沖器頂端運動到導(dǎo)向筒徑變窄位置時，緩沖裝置呈現(xiàn)大幅度的減速運動，這主要由于流域空間的復(fù)雜流動造成的，而且隨著緩沖器頂端直徑的增大即出流間隙變小，流動就更加復(fù)雜，造成的阻力就更大。隨后，當(dāng)緩沖裝置的配重運動到導(dǎo)向筒底部圓孔時，由于間隙的變化，流體阻力進(jìn)一步增大，隨后配重運動過導(dǎo)向筒圓孔后，流動相對穩(wěn)定后，阻力變化平緩。緩沖器整個下落行程為1 600 mm，緩沖裝置下落過程數(shù)據(jù)如表1所示。

表1各工況計算結(jié)果匯總

工況/mm108110112113下落總時間/s0.6750.6840.7020.711下落最大速度/(m/s)3.523.453.373.33最大速度出現(xiàn)位置/m1.1131.1111.1121.113下落末尾速度/(m/s)3.242.962.472.25

計算得到的緩沖器下落過程的加速度隨時間及位移變化曲線如圖4和圖5所示。加速度的值反映出緩沖器受阻力的大小，4種工況下，加速度曲線的變化趨勢基本一致，由于工況的不同造成的結(jié)構(gòu)變化，產(chǎn)生了在相同變化趨勢上不同的變化幅度。在緩沖結(jié)構(gòu)運動到0.23 m時，緩沖器頂端位置剛好進(jìn)入到導(dǎo)向筒內(nèi)，緩沖器受到的阻力增大，加速度出現(xiàn)第1個峰值；緩沖結(jié)構(gòu)運動到0.8 m時，緩沖結(jié)構(gòu)彈簧座運動到導(dǎo)向筒徑變窄的位置，緩沖結(jié)構(gòu)加速度急劇減小，主要因為導(dǎo)向筒徑的變窄使阻力增加，同時，由于流道結(jié)構(gòu)的變化造成了區(qū)域流動復(fù)雜，使阻力增加，在運動一段時間后流體的運動趨于穩(wěn)定，加速度出現(xiàn)變緩的趨勢；緩沖結(jié)構(gòu)運動到1.1 m時，緩沖器與導(dǎo)向筒間隙變小，加速度曲線出現(xiàn)了急劇變化，甚至反號，即緩沖器從加速運動變?yōu)闇p速運動；緩沖結(jié)構(gòu)運動到1.36 m時，緩沖器頂端運動到導(dǎo)向筒徑變窄的位置，加速度同樣出現(xiàn)了急劇變化的情況，而且這一位置加速度變化隨著緩沖結(jié)構(gòu)頂端直徑的增加幅度增加的很大，尤其是113 mm工況的結(jié)構(gòu)，這是由于緩沖器頂端的進(jìn)一步增大使出流間隙變的十分小，以至于產(chǎn)生局部復(fù)雜的流動，從而產(chǎn)生很大的阻力，使加速度急劇變化，同時緩沖結(jié)構(gòu)的配重也馬上到達(dá)導(dǎo)向筒底部圓孔，使底孔出流也產(chǎn)生一定困難，液體的阻力增大，就產(chǎn)生了圖6中第4個加速度的峰值；緩沖結(jié)構(gòu)運動到1.4 m時，緩沖結(jié)構(gòu)的配重運動到導(dǎo)向筒底孔處，由于出流間隙的進(jìn)一步減小，局部流動也變的復(fù)雜，使阻力在原來基礎(chǔ)上又有所增加。當(dāng)下落行程為1 600 mm時，下落的總時間如表2所示。

圖4　加速度隨時間變化曲線

圖5　加速度隨位移變化曲線

表2各工況整體下落時間

工況/mm108110112113下落總時間/s0.6750.6840.7020.711

3.2　導(dǎo)向筒底部圓孔尺寸影響分析

緩沖器其他部分結(jié)構(gòu)保持不變，選取導(dǎo)向筒底部圓孔直徑為65 mm、70 mm、75 mm 3種尺寸，對緩沖器緩沖性能進(jìn)行分析。計算所得速度與加速度隨時間變化曲線如圖6和圖7所示。由速度和加速度曲線可知，3種不同工況的速度和加速度變化趨勢與分析的一致，在運動初步階段(即0.45 s以前)緩沖結(jié)構(gòu)運動到總行程的一半，隨著導(dǎo)向筒底部圓孔直徑的增大，緩沖結(jié)構(gòu)速度和加速度變化不明顯基本趨于一致；在運動后半段，隨著導(dǎo)向筒底部圓孔直徑的增大，緩沖結(jié)構(gòu)速度和加速度數(shù)值逐漸增大。造成這種情況的原因主要是，在運動前半段緩沖結(jié)構(gòu)的速度并不大，導(dǎo)向筒底部圓孔的泄流受圓孔尺寸的影響較小，所以這時速度和加速度并沒有大的差異；而在運動的后半段，緩沖結(jié)構(gòu)速度較大，導(dǎo)向筒內(nèi)起緩沖作用的液體所受擠壓也比之前劇烈，這時導(dǎo)向筒底部圓孔泄流就起到了很大的作用，從而圓孔直徑也就在一定程度上影響了緩沖結(jié)構(gòu)運動的速度和加速度，底部圓孔直徑的增大就增大了導(dǎo)向筒內(nèi)液體的泄流，減小了緩沖阻力，從而使緩沖結(jié)構(gòu)隨著圓孔直徑的增大速度和加速度數(shù)值有所增加。

圖6　速度隨時間變化曲線

圖7　加速度隨時間變化曲線

4結(jié)束語

建立了緩沖器在導(dǎo)向筒內(nèi)下落過程的幾何模型和數(shù)學(xué)模型，通過CFD數(shù)值求解方法，得到了緩沖器特性與緩沖器幾何結(jié)構(gòu)的關(guān)系。結(jié)論如下：

a.緩沖器頂端直徑的增大即緩沖液體的過流間隙減小時，緩沖結(jié)構(gòu)運動的緩沖性能就越好，即運動到底端的速度數(shù)值就越?。煌瑫r緩沖結(jié)構(gòu)的加速度由于特殊的幾何結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)5個不同的波動。

b.導(dǎo)向筒底部圓孔的尺寸影響了整個緩沖裝置的緩沖性能，隨著底部圓孔尺寸的增加，緩沖結(jié)構(gòu)落底的速度有所增加。

c.通過減小緩沖器與導(dǎo)向筒的間隙以及導(dǎo)向筒底部泄流孔，是減小沖擊力的有效途徑。

參考文獻(xiàn)：

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[2]宋威, 秦本科, 薄涵亮, 等. 水力緩沖器緩沖特性研究[J]. 原子能科學(xué)技術(shù), 2013,47(8):1316-1321.

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