核閥流體動力學(xué)及流固耦合特性數(shù)值模擬

冷 冰，趙 晶

（沈陽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽 110870）

0 引言

閘閥以其低流動阻力、低啟閉力以及高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，特別是在核電站系統(tǒng)中［1］。作為核電站系統(tǒng)中的重要設(shè)備［2］，核電閘閥常用于接通或截?cái)喙艿乐械慕橘|(zhì)。當(dāng)核電閘閥全開或全關(guān)時(shí)，由于高壓流體的作用，核閥結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生變形及應(yīng)力［3］。因此，為避免閘閥全開時(shí)其結(jié)構(gòu)變形或受力超出許用值導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞，需對閘閥內(nèi)部的流場和流固耦合作用下的結(jié)構(gòu)場進(jìn)行計(jì)算分析。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值模擬技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算流體動力學(xué)（CFD）以其成本低、周期短、結(jié)果準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于研究工程流體流動現(xiàn)象。在閥門的流動特性研究中，如球形止回閥的流固耦合特性研究［4］，柱塞泵進(jìn)排液閥的流場特性分析［5］以及基于動網(wǎng)格的液壓滑閥流固耦合分析［6］等均采用CFD數(shù)值模擬計(jì)算并驗(yàn)證了該方法的可靠性。因此，本文基于ANSYS Workbench有限元分析軟件，采用CFX模塊對閘閥內(nèi)部流場進(jìn)行分析，運(yùn)用有限體積法（FVM）將閘閥與流場進(jìn)行流固耦合力學(xué)分析，得出閘閥內(nèi)部流場的壓力、速度分布，以及閘閥的變形和應(yīng)力分布情況，為高壓條件下核電閘閥的設(shè)計(jì)、改進(jìn)提供可靠依據(jù)。

1 流固耦合求解方法

流固耦合是指固體在流體載荷作用下會產(chǎn)生變形或運(yùn)動，而變形或運(yùn)動的固體同樣會對流體的流場特性產(chǎn)生影響，即流固兩相介質(zhì)之間的相互作用［7］。由于閘閥開啟時(shí)其結(jié)構(gòu)變形小，對流體流動狀態(tài)影響較小，因此本研究只考慮流體對閘閥結(jié)構(gòu)的影響，即單向流固耦合作用。

對于流固耦合問題，可通過建立流固耦合控制方程進(jìn)行求解。流體流動的過程遵循物理守恒定律，即流體控制方程是基于質(zhì)量、動量和能量守恒定律建立方程；固體結(jié)構(gòu)的控制方程可根據(jù)牛頓第二定律導(dǎo)出；基于流體與固體在熱流量q、應(yīng)力τ、位移d、溫度T等多個(gè)變量的守恒建立以下流固耦合交界面處的控制方程［8-12］：

2 穩(wěn)態(tài)流固耦合分析

2.1 穩(wěn)態(tài)流體動力學(xué)分析

2.1.1 網(wǎng)格劃分

采用ANSYS Workbench平臺中的CFX對流體域采用非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格劃分［13］，尺寸函數(shù)采用“Curvature”，最大面尺寸設(shè)置為2 mm。劃分后得到網(wǎng)格單元數(shù)為608 083，節(jié)點(diǎn)數(shù)為121 625。圖1示出閘閥流體域網(wǎng)格劃分。

圖1 閘閥流體域網(wǎng)格劃分示意Fig.1 Schematic diagram of fluid domain meshing of the gate valve

2.1.2 邊界條件設(shè)置

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，入口邊界條件設(shè)置為壓力入口，對流體（液態(tài)水）入口施加17.2 MPa的壓力及350 ℃的溫度值，同時(shí)啟用熱能傳遞模型；出口邊界條件設(shè)置為速度出口，且出口平面法向速度大小為10 m/s；對稱截面上設(shè)置對稱邊界；流體壁面邊界條件采用無滑移光滑壁面，忽略與閘閥壁面的熱交換影響。圖2示出流體邊界條件。

圖2 流體邊界條件設(shè)置示意Fig.2 Schematic diagram of fluid boundary conditions setting

2.1.3 結(jié)果與分析

圖3和4分別示出設(shè)計(jì)工況下閘閥內(nèi)流體對稱面上的壓力分布云圖和速度分布矢量。

圖3 流體對稱面的壓力分布云圖Fig.3 Pressure distribution nephogram of the fluid symmetry plane

圖4 流體對稱面的速度分布矢量Fig.4 Velocity distribution vector diagram of the fluid symmetry plane

由圖可知，閘閥內(nèi)流體在流動過程中沿主流通道壓力值明顯降低，速度值明顯增加，這是由于流體在流經(jīng)閥體中腔時(shí)因壓力波動在閥體底部產(chǎn)生渦流，導(dǎo)致流體的壓力能與動能發(fā)生轉(zhuǎn)化。閘閥內(nèi)流體整體的壓力與速度波動較小。

為進(jìn)一步定量研究閘閥內(nèi)部的壓力及速度變化，分別提取了流動過程中入口和出口平面的平均壓力和平均速度。由圖5可知，入口和出口平面的平均壓力分別為17.15，17.14 MPa，出入口壓差數(shù)值非常小，僅為0.01 MPa。由圖6可知，入口和出口的平均速度分別為9.99，10.08 m/s，速度有所增加，但增加幅度較小，僅為0.9%。

圖5 穩(wěn)態(tài)模擬過程中出入口平均壓力變化曲線Fig.5 Variation curves of average pressure at inlet and outlet during the steady-state simulation

圖6 穩(wěn)態(tài)模擬過程中出入口平均速度變化曲線Fig.6 Variation curves of average velocity at inlet and outlet during the steady-state simulation

2.2 穩(wěn)態(tài)流固耦合靜力學(xué)分析

2.2.1 材料屬性設(shè)置及網(wǎng)格劃分

閘閥結(jié)構(gòu)及部件材料屬性分別如圖7及表1所示。為提升模擬效率，閘閥結(jié)構(gòu)采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，尺寸函數(shù)選擇“Curvature”，最大面尺寸設(shè)置為4 mm，劃分后得到網(wǎng)格單元數(shù)為189 100，節(jié)點(diǎn)數(shù)為420 667。圖8示出閘閥固體域網(wǎng)格劃分。

表1 閘閥各部件材料參數(shù)Tab.1 Material parameters of components of the gate valve

圖7 閘閥結(jié)構(gòu)示意Fig.7 Schematic diagram of the gate valve structure

圖8 閘閥固體域網(wǎng)格劃分示意Fig.8 Schematic diagram of solid domain meshing of the gate valve

2.2.2 施加載荷及約束

流固耦合過程中閘閥內(nèi)壁受到的力是由流體壓力引起，因此，將2.1節(jié)中穩(wěn)態(tài)流動模擬得到的流體壓力施加在閘閥內(nèi)壁，如圖9所示。根據(jù)閘閥各零部件的裝配約束關(guān)系，對閘閥入口和出口面、閥體上表面以及閥蓋上表面施加固定約束。

圖9 閘閥固體域?qū)雺毫d荷示意Fig.9 Schematic diagram of the imported pressure load in the solid domain of the gate valve

2.2.3 結(jié)果與分析

根據(jù)GB/T13927-1992規(guī)定，在試驗(yàn)過程中，為避免殼體因受力變形過大出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象，通常把承壓邊界（閥體）的變形控制在0.001DN的范圍內(nèi)。閥體公稱直徑為130 mm，即允許變形量為0.13 mm。

由圖10閘閥變形分布云圖可知，受到穩(wěn)態(tài)流體壓力沖擊后，閘閥變形主要集中在閥體與導(dǎo)軌，最大變形量為0.025 mm，而閘板變形量次之，最大值為0.02 mm，閘閥其余部位受流體沖擊較小，其變形量非常小，均在0.01 mm以下。由圖11閘閥等效應(yīng)力分布云圖可知，在穩(wěn)態(tài)流固耦合作用下，閘閥應(yīng)力主要集中在閥體的左右側(cè)壁及底部處，最大等效應(yīng)力為98.46 MPa，閘閥其余部位受流體沖擊較小，其等效應(yīng)力值較小，均小于材料的許用應(yīng)力。

圖10 閘閥變形分布云圖Fig.10 Deformation distribution nephogram of the gate valve

圖11 閘閥等效應(yīng)力分布云圖Fig.11 Equivalent stress distribution nephogram of the gate valve

3 瞬態(tài)流固耦合分析

3.1 瞬態(tài)流體動力學(xué)分析

在實(shí)際工程中，由于物體運(yùn)動、邊界條件改變或流動自身特性等原因，流動現(xiàn)象會隨著時(shí)間變化而變化。因此，設(shè)定瞬態(tài)模擬來研究流體動力學(xué)及流固耦合現(xiàn)象是非常有必要的。

3.1.1 模擬設(shè)置

瞬態(tài)分析的初始值表示瞬態(tài)現(xiàn)象在0時(shí)刻的物理狀態(tài)，是流體內(nèi)部自發(fā)的瞬態(tài)現(xiàn)象。為保證瞬態(tài)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，通常以一個(gè)收斂的穩(wěn)態(tài)分析結(jié)果作為相應(yīng)瞬態(tài)分析的初始值。因此，以2.1節(jié)中穩(wěn)態(tài)流體動力學(xué)求解結(jié)果作為瞬態(tài)模擬的初始值，對瞬態(tài)模型進(jìn)行如下設(shè)置：分析類型為無耦合瞬態(tài)（Transient）模擬，總時(shí)間為0.1 s，時(shí)間步長為0.000 5 s。

3.1.2 結(jié)果與分析

為研究瞬態(tài)模擬過程中流體壓力和速度的變化情況，分別提取 0.025，0.050，0.075，0.100 s這 4組不同時(shí)刻的壓力分布云圖和速度分布矢量圖。如圖12，13所示，在瞬態(tài)模擬過程中，壓力在初始時(shí)刻入口處最大，由于壓力能與動能的轉(zhuǎn)化，沿主流通道出現(xiàn)壓力下降、速度增加的趨勢，二者的整體波動幅度均較小。此外，由于閥體底部出現(xiàn)渦流現(xiàn)象，壓力在流出時(shí)變得不均勻，從而導(dǎo)致出口面中間壓力大于周邊壓力的現(xiàn)象。

圖12 瞬態(tài)模擬過程中對稱面不同時(shí)刻壓力分布云圖Fig.12 Pressure distribution nephograms of the symmetry plane at different moments in the transient

圖13 瞬態(tài)模擬過程中對稱面不同時(shí)刻速度分布矢量圖Fig.13 Velocity distribution vector diagrams of the symmetry plane at different moments in the transient simulation

3.2 瞬態(tài)流固耦合動力學(xué)分析

3.2.1 模擬設(shè)置

為研究流體瞬態(tài)特性對閘閥變形與受力情況的影響，分別導(dǎo)入 4組（t=0.025，0.050，0.075，0.1 s）與瞬態(tài)流體動力學(xué)分析相一致的瞬態(tài)模擬壓力，且4組導(dǎo)入壓力的加載方式設(shè)置如下：“Initial Time Stepping” 設(shè) 為 2.5e-4，“Minimum Time Step”設(shè)為 2.5e-5，“Maximum Time Step”設(shè)為2.5e-3。

3.2.2 結(jié)果與分析

由圖14閘閥變形分布云圖可知，在4組不同時(shí)刻瞬態(tài)模擬的分析結(jié)果中，閘閥變形均集中在閥體、閥體上的導(dǎo)軌以及閘板處，其中導(dǎo)軌、閘板處變形量均在0.1 s時(shí)最大，分別為0.101 mm和0.016 7 mm。閘閥其余部位受流體沖擊較小，其變形量較小，均在0.01 mm以下。

由圖15閘閥等效應(yīng)力分布圖可知，閘閥應(yīng)力分布主要集中在閥體和出入口閥座處，其中在0.1 s時(shí)閥體等效應(yīng)力值最大，為259.69 MPa，超過閥體材料的屈服強(qiáng)度，產(chǎn)生局部應(yīng)力集中。根據(jù)圖14的閘閥變形計(jì)算結(jié)果可知，閥體在0.1 s時(shí)的最大變形量為0.101 mm，小于其允許變形量0.13 mm，閥體壓力邊界完整性保持良好，滿足工程使用性能要求?？赏ㄟ^在應(yīng)力集中部位加大圓角以減小應(yīng)力集中程度。

圖14 不同時(shí)刻閘閥變形分布云圖Fig.14 Deformation distribution nephograms of the gate valve at different moments

圖15 不同時(shí)刻閘閥等效應(yīng)力分布云圖Fig.15 Equivalent stress distribution nephograms of the gate valve at different moments

4 結(jié)論

（1）在穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)流場特性模擬過程中，由于閥體底部的結(jié)構(gòu)變化，流體在流經(jīng)此處時(shí)均會因壓力波動而產(chǎn)生渦流，出入口壓力損失均較小，通過改進(jìn)閥體底部結(jié)構(gòu)可進(jìn)一步減小壓力損失。

（2）在穩(wěn)態(tài)流固耦合模擬過程中，閘閥變形主要集中在閥體與導(dǎo)軌部位，且最大變形量遠(yuǎn)小于閥體的允許變形量0.13 mm。其次，閘閥在各個(gè)部位的應(yīng)力值均小于其材料的許用應(yīng)力，在實(shí)際工程應(yīng)用中可滿足強(qiáng)度要求。

（3）在瞬態(tài)流固耦合模擬過程中，閘閥的最大變形與最大等效應(yīng)力均出現(xiàn)在閥體與導(dǎo)軌部位，最大變形量為0.101 mm，小于其允許變形量，閥體的壓力邊界完整性保持良好；最大等效應(yīng)力略大于材料的屈服強(qiáng)度，產(chǎn)生局部應(yīng)力集中。可通過加大閥體與導(dǎo)軌部位的圓角以減小應(yīng)力集中的程度。