安全閥閥腔流動(dòng)特性分析及數(shù)值模擬

沈晨(江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院泰州分院泰興所，江蘇 泰州 225400)

0 引言

在核電技術(shù)應(yīng)用階段，核級(jí)閥門是主要耗材類型之一，近些年其需求量有不斷增加趨勢(shì)，在系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)階段安全閥起到的保護(hù)作用也已被證實(shí)。本文選擇一種新型核級(jí)安全閥為研究對(duì)象，和常規(guī)安全閥裝置相比較，其最大的不同是將彈簧加載在閥瓣上方，該類安全閥裝置在啟用高度、排放能力方面占據(jù)優(yōu)勢(shì)，這是其應(yīng)用范疇不斷拓展的直接動(dòng)因。本文采用國(guó)際上較為先進(jìn)的流體仿真技術(shù)，通過(guò)建模，測(cè)算出開度不同時(shí)閥腔介質(zhì)流動(dòng)屬性，解讀壓力特征，探究啟閉動(dòng)作時(shí)閥腔流場(chǎng)波動(dòng)遵照的規(guī)律與相關(guān)影響因素。

1 構(gòu)建安全閥流道模型

本文采用的安全閥隸屬于直接載荷式安全閥，結(jié)構(gòu)圖示見(jiàn)圖1[1]。

圖1 新型核級(jí)安全閥結(jié)構(gòu)示意圖

利用法蘭銜接安全閥和管道，安全閥流道兩側(cè)構(gòu)件呈對(duì)稱分布特征，本次研究中為減少網(wǎng)格數(shù)目、提升分析過(guò)程效率，擬定使用有限元軟件分析25%模型，同時(shí)結(jié)合系統(tǒng)管路特征，構(gòu)建了經(jīng)簡(jiǎn)化處理以后的新型核級(jí)安全閥流道模型(見(jiàn)圖2)[2]。

2 解讀安全閥流道性能

2.1 閥瓣升力曲線

本文選用ANSYS CFX有限元軟件仿真分析閥腔內(nèi)部流體模型，擬化安全閥啟用環(huán)節(jié)中，在升力作用下閥瓣構(gòu)件發(fā)生的改變，并通過(guò)試驗(yàn)加以檢驗(yàn)證明，歷經(jīng)數(shù)次對(duì)比分析后，最終設(shè)定了安全閥升力曲線的數(shù)值模擬分析法。

圖2 安全閥流道有限元模型

升力曲線是研究安全閥動(dòng)作屬性的重要基礎(chǔ)，其對(duì)外呈現(xiàn)出閥腔內(nèi)介質(zhì)對(duì)閥瓣形成的相對(duì)作用力和行程的函數(shù)關(guān)系。已知彈簧剛度是影響安全閥動(dòng)作屬性的主要因素之一，通過(guò)解讀特性曲線，能夠測(cè)算出癱瘓的最適宜剛度。本次研究通過(guò)擬化閥瓣張開度從35mm閉合至1.7mm階段閥瓣承載的介質(zhì)推力推導(dǎo)出閥瓣升力曲線。

可以采用式(1)測(cè)算出升力系數(shù)ρ[3]：

式中：Fs為流體于閥瓣上形成的總合力(N)；p為閥門進(jìn)口處介質(zhì)的靜壓力(MPa)；d0為流道內(nèi)徑(mm)。

伴隨安全閥啟閉高層的改變，ρ出現(xiàn)一定變動(dòng)，閥門構(gòu)造特征與不同零部件外部形狀規(guī)格是影響ρ變動(dòng)幅度大小的主要因素，可以通過(guò)仿真分析過(guò)程設(shè)定。對(duì)閥瓣張開度35～20mm時(shí)介質(zhì)流線進(jìn)行分析后，發(fā)現(xiàn)當(dāng)張開度指標(biāo)不同時(shí)閥腔內(nèi)流體介質(zhì)速度流線改變基本處于閥瓣周邊。

2.2 分析升力曲線圖示與馬赫數(shù)

綜合以上仿真過(guò)程獲得的數(shù)據(jù)，勾畫不同張開度狀態(tài)下閥門閥瓣升力曲線(圖3)。在常規(guī)作業(yè)條件下，閥瓣承載的背壓偏大，張開度34 mm后升力特性曲線有漸趨緩取值直至最后成為直線?；诜抡娣治鲈囼?yàn)，當(dāng)閥瓣張開度為3. 4 mm時(shí)升力系數(shù)最低，張開度在5～30mm區(qū)間內(nèi)取值時(shí)，升力系數(shù)最大，直到趨于平緩無(wú)波動(dòng)。

圖3 閥瓣升力曲線圖

彈簧剛度對(duì)其載荷力改變過(guò)程起決定性作用，依照ρ確定彈簧剛度，進(jìn)而測(cè)求出符合設(shè)計(jì)要求的彈簧性能。張開度(h)狀態(tài)下閥瓣升力值應(yīng)高于此時(shí)的彈簧力，基于此能測(cè)求出最大的彈簧剛度值。

通過(guò)公式測(cè)算出彈簧剛度值偏低，但基本和理論測(cè)算出的彈簧剛度相吻合。表1為閥門喉部處馬赫數(shù)，勾畫馬赫數(shù)—張開度變化曲線圖見(jiàn)圖4[4]。

表1 馬赫數(shù)分析統(tǒng)計(jì)表

圖4 馬赫數(shù)—張開度變化曲線圖

馬赫數(shù)被定義為流場(chǎng)內(nèi)某位點(diǎn)的速度(v)與該點(diǎn)的當(dāng)?shù)芈曀?c)的比率。馬赫數(shù)相對(duì)數(shù)值越大，提示閥門回座越穩(wěn)定。馬赫數(shù)高，安全閥排放量相應(yīng)增多，等同于流體介質(zhì)持有較高流速，且于開口位置介質(zhì)靜壓值偏低。通過(guò)分析本次試驗(yàn)研究中勾畫出的升力曲線圖與馬赫數(shù)圖，能夠估算出閥瓣升力大小的所處范疇，設(shè)計(jì)人員可以同時(shí)參照如上兩個(gè)因素，先要保證處于相應(yīng)張開度周邊，伴隨閥門的閉合過(guò)程，介質(zhì)升力值緩緩增加逐漸高于彈簧力；閥門處于原始張開度時(shí)，嚴(yán)禁出現(xiàn)介質(zhì)作用力偏高的情況，當(dāng)介質(zhì)作用力＜350kN時(shí)，方能更好的維持開關(guān)閥閥腔內(nèi)流量的相對(duì)穩(wěn)定性。

3 探討安全閥閥腔的內(nèi)部流動(dòng)特性

3.1 構(gòu)建閥腔流場(chǎng)模型

圖5是安全閥的三維立體模型，閥腔流場(chǎng)有限元模型見(jiàn)圖6。因安全閥幾何結(jié)構(gòu)均有對(duì)稱性特征，故而僅需測(cè)算出全安全閥模型的1/2。安全閥內(nèi)部流動(dòng)隸屬于三維湍流流動(dòng)，其通用調(diào)控方程可用式(2)表示[5]：

式中：ρ為密度為速度矢量；φ為廣義變量；Γ為廣義上的拓展系數(shù)；S為源項(xiàng)。

圖5 安全閥的三維立體模型圖

圖6 閥腔流場(chǎng)有限元模型圖

3.2 解讀閥腔流場(chǎng)與溫度場(chǎng)

擬化分析入口壓力、張開度指標(biāo)不同的工況下安全閥的流場(chǎng)與溫度場(chǎng)。當(dāng)閥瓣張開度為0.5m時(shí)，入口處的壓力值偏高，閥瓣周邊區(qū)壓力最低，閥瓣下游區(qū)域壓力較低。而對(duì)流體速度分析后發(fā)現(xiàn)，其于下閥瓣底端最小凹槽截面位置抵達(dá)峰值，且伴隨入口壓力上升過(guò)程有持續(xù)增加趨勢(shì)，最大速度能夠抵達(dá)80m/s。

當(dāng)張開度為2.0mm、2.5mm的后期處理情況以此類推。對(duì)后處理結(jié)果加以分析后，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)閥瓣張開度為2.0mm時(shí)，入口于下閥瓣最底處壓力達(dá)到峰值，下游區(qū)段壓力整體偏低。于閥瓣底端最小凹槽截面與導(dǎo)向套筒斜面位置，流體速度值均偏高，并且伴隨閥瓣張開度增加過(guò)程也有上升趨勢(shì)，張開度最大時(shí)流體速度抵達(dá)峰值，為86.1m/s，下游區(qū)段速度偏低。張開度為2.5mm時(shí)，下閥瓣最底端壓力達(dá)到峰值，下游區(qū)壓力偏低。在下閥瓣底端導(dǎo)向套筒斜面位置流體速度偏高，且速度指標(biāo)和張開度大小之間存在正相關(guān)性，張開度最大時(shí)，流體速度也最大，為88.1m/s，下游區(qū)段內(nèi)流體速度偏低[6]。

3.3 分析影響安全閥閥腔流量的因素

圖6為不同壓力條件下安全閥的流量波動(dòng)趨勢(shì)仿真曲線，橫軸代表的是安全閥不同開口度。分析圖6后，我們可以斷定安全閥流量值和開口度大小之間存在正相關(guān)性。圖7是當(dāng)安全閥開口度全開時(shí)質(zhì)量流量波動(dòng)趨向仿真曲線圖，橫軸對(duì)應(yīng)的是安全閥入口持有的不同壓力。經(jīng)分析后認(rèn)為，伴隨壓力值的增長(zhǎng)過(guò)程，安全閥的質(zhì)量流量也有逐漸提升的趨勢(shì)。

圖6 開口度不同下的質(zhì)量流量改變圖

圖7 全開時(shí)不同入口壓力下的流量改變圖

導(dǎo)向套開槽規(guī)格、導(dǎo)向套筒斜面成角、入口閥座內(nèi)徑三因素均會(huì)對(duì)安全閥的壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)和受力屬性形成一定影響。本文側(cè)重將導(dǎo)向套開槽規(guī)格為實(shí)例，如表2闡述在閥瓣整體張開時(shí)開槽寬度、高度對(duì)受力、流量和流場(chǎng)的影響狀況。統(tǒng)計(jì)閥門全開時(shí)開槽規(guī)格變動(dòng)時(shí)流量、閥瓣軸向力數(shù)據(jù)，當(dāng)入口壓力值等同時(shí)，開槽寬度對(duì)流量形成微小的影響，此時(shí)高度是影響流量的主要因素，伴隨開槽高度提升過(guò)程，流量值有所提升，比如當(dāng)入口壓力是2.895MPa時(shí)，高度提升40%，流量增幅將會(huì)達(dá)到29.2%。

同樣的原理，我們能推導(dǎo)出導(dǎo)向套筒斜面角對(duì)流量值形成的影響基本上呈現(xiàn)出線性改變趨勢(shì)，入口被定義為排放壓力之下，當(dāng)斜面角有50%的改變幅度時(shí)。質(zhì)量流量將會(huì)有17.1%的增長(zhǎng)幅度，角度對(duì)軸向力指標(biāo)大小形成的影響有持續(xù)增加趨勢(shì)，當(dāng)角度增長(zhǎng)50%時(shí)，能使軸向力有21.6%的增幅，由此可見(jiàn)角度對(duì)軸向力形成的影響偏大。伴隨傾斜角度的拓展過(guò)程，最大速度呈現(xiàn)出先減后增的變化趨勢(shì)，而最大壓力值的變化鬼羅剎相反，即先增后減。本文還研究了入口閥座內(nèi)徑對(duì)安全閥特性形成的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)伴隨內(nèi)徑值的增長(zhǎng)過(guò)程，質(zhì)量流量與軸向力都有不斷降低趨勢(shì)，比如當(dāng)入口是2.895MPa時(shí)，內(nèi)徑增長(zhǎng)四分之一時(shí)，質(zhì)量流量降低7.1%，軸向力降幅達(dá)到11.4%。伴隨內(nèi)徑擴(kuò)增過(guò)程閥腔內(nèi)流動(dòng)的壓力與速度最大值都有不斷增長(zhǎng)趨勢(shì)，在入口區(qū)段壓力與速度分布層次性逐漸模糊化[7]。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于理論分析與方針結(jié)果分析，作出如下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)通過(guò)解讀安全閥閥腔流場(chǎng)持有的特性，勾畫出閥瓣的升力曲線圖，證實(shí)了彈簧實(shí)測(cè)剛度和理論剛度相一致。

表2 導(dǎo)向套開槽規(guī)格改變時(shí)流量與軸向力統(tǒng)計(jì)表

(2)解讀了導(dǎo)向套開槽規(guī)格、導(dǎo)向套筒斜面角及入口閥座內(nèi)徑對(duì)質(zhì)量流量形成的影響，作出如下總結(jié)：開槽規(guī)格對(duì)流量值形成的影響偏小、斜面角對(duì)流量形成的影響大體呈現(xiàn)出線性改變，伴隨入口內(nèi)徑擴(kuò)增過(guò)程，流量和軸向力值均有不斷跌落趨勢(shì)。