高溫高壓核電閘閥流固熱耦合研究

楊勇 楊雄飛 金慧

摘要：本文將高溫高壓核電閘閥作為主要研究?jī)?nèi)容，針對(duì)流固熱耦合原理進(jìn)行分析，借助構(gòu)建的三維模型，了解并掌握流體壓力、速度以及溫度的具體分布。將適當(dāng)?shù)暮奢d力施加給閘閥，以此判定出壓力與溫度對(duì)于閘閥整體功能的影響。

關(guān)鍵詞：高溫高壓;核電閘閥;流固熱耦合

前言：核電站中的閘閥極易受到高溫高壓流體的影響，而發(fā)生變形或移動(dòng)，為了避免閘閥變形現(xiàn)象的出現(xiàn)，同時(shí)預(yù)防應(yīng)力過(guò)大破壞閘閥整體結(jié)構(gòu)，就需重視閘閥的計(jì)算。因閘閥運(yùn)作時(shí)，其結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生較大的形變，也不會(huì)對(duì)流體溫度以及其自身的流動(dòng)狀態(tài)造成嚴(yán)重的影響，因此只需研究流體狀態(tài)與溫度對(duì)閘閥問(wèn)結(jié)構(gòu)的影響便可。

1控制方程

開展流固熱耦合研究工作時(shí)，需分別從流固耦合以及溫度場(chǎng)兩方面進(jìn)行研究，在此過(guò)程中，涉及到多個(gè)研究方程，具體如下：

流固耦合計(jì)算：流固耦合指固體在介質(zhì)荷載的作用下會(huì)出現(xiàn)變形，若作用力過(guò)大，固體可能發(fā)生運(yùn)動(dòng)，不論是變形亦或是運(yùn)動(dòng)，均會(huì)對(duì)介質(zhì)產(chǎn)生影響，致使介質(zhì)荷載的大小以及分布情況發(fā)生改變，流固耦合的有限元方程表示為

各系列矩陣由全域各單元相應(yīng)系數(shù)矩陣依據(jù)相同的形式疊加而成：

其中，M、C、K分別為質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣、剛度矩陣，U與P代表區(qū)域內(nèi)各節(jié)點(diǎn)所組成的列矢量，Ae、Be、Ce、De、Ge、He分別表示質(zhì)量矩陣、對(duì)流矩陣、壓力矩陣、損耗矩陣、連續(xù)矩陣以及邊界速度矢量，而Ee（Fe）為體積力矩陣;公式中，分別代表加速度、速度以及結(jié)構(gòu)應(yīng)力列向量。

明確流固耦合計(jì)算方式后，需對(duì)溫度場(chǎng)相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行研究，研究過(guò)程中，需掌握熱傳導(dǎo)以及熱對(duì)流方程表達(dá)形式。

溫度場(chǎng)是在規(guī)定范圍中各區(qū)域的溫度分布狀況，通常情況下，溫度場(chǎng)被認(rèn)定為不同時(shí)間不同物體在指定區(qū)域內(nèi)溫度分布的總稱。研究發(fā)現(xiàn)，流體與固體本身均具有導(dǎo)熱的性能，且二者之間可以生成對(duì)流換熱現(xiàn)象。

熱傳導(dǎo)：笛卡爾坐標(biāo)系中，設(shè)定某一導(dǎo)熱物體的坐標(biāo)點(diǎn)為（x，y，z），可以將其熱傳導(dǎo)方程表示為：

其中，ρ表示密度，其單位為kg/m3，cp代表比熱容，單位表示為J/（kg·K），λ為導(dǎo)熱系數(shù)，單位W/（m·K），表示單位體積發(fā)熱率。

探討熱對(duì)流方程時(shí)，需從三方面進(jìn)行綜合研究：

2高溫高壓核電閘閥三維模型

建設(shè)三維實(shí)體模型時(shí)，需保證所構(gòu)建的模型能夠?qū)⒔Y(jié)構(gòu)的真實(shí)情況進(jìn)行充分且直觀的體現(xiàn)，確保計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步簡(jiǎn)化模型。閘閥的承壓邊界通常由閥體、閥板以及閥蓋等元件組成，若以力學(xué)的角度進(jìn)行思考，可以將各部分共同看做成支撐內(nèi)壓的整體。因此，構(gòu)建有限元模型時(shí)，需將閥板、閥體以及閥蓋視為一個(gè)整體，再開展模型建設(shè)工作，對(duì)于連接各元件的螺栓可以不體現(xiàn)在模型上。此外，還需對(duì)一些不會(huì)影響閘閥性能的特征加以簡(jiǎn)化處理，比如閘閥上的倒角可以忽略[1]。

3流體流場(chǎng)與溫度場(chǎng)研究

利用ANSYS Workbench平臺(tái)中的CFX全面分析介質(zhì)的流動(dòng)狀態(tài)，由于閘閥內(nèi)部整體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，因此，需使用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)流體域進(jìn)行離散，將離散后的區(qū)域進(jìn)行等規(guī)格的劃分，完成此項(xiàng)工作后，共得到3058808個(gè)網(wǎng)格單元數(shù)。將25MPa的壓力作用于流體進(jìn)口處，并將該位置的溫度提升至330℃，出口設(shè)置outlet，相對(duì)壓力調(diào)至為0，閘閥壁面應(yīng)用不可移動(dòng)的固定壁面。依托于上述條件，測(cè)量出流程對(duì)稱截面的速度分布以及靜壓分布，經(jīng)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，流體最大靜壓力值為13.33MPa，閘閥底部受壓力作用而引起波動(dòng)，并在該區(qū)域生成渦流，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因是該部位的截面形狀與管道整體形狀不一致，當(dāng)流體流經(jīng)該區(qū)域時(shí)，流體質(zhì)點(diǎn)的速度便會(huì)發(fā)生改變，同時(shí)，在流動(dòng)過(guò)程中，各質(zhì)點(diǎn)之間相互碰撞。緊接著，閘閥底部區(qū)域的靜壓值呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)，而壁面處的質(zhì)點(diǎn)流速會(huì)隨著靜壓值的下降而不斷減小。

因流體流速較快，其溫度不易發(fā)生變化，當(dāng)流體質(zhì)點(diǎn)流動(dòng)時(shí)，溫度始終維持在330℃左右，但閘閥座附近的底部溫度值呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，不過(guò)變化幅度并不明顯，且溫度升高至相應(yīng)數(shù)值時(shí)，基本保持穩(wěn)定，這是因?yàn)樵摬课粫?huì)形成渦流，在此期間，流體自身壓力轉(zhuǎn)化為熱能，隨著流體的流動(dòng)，使溫度受到影響。

4閘閥溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)研究

高溫高壓核電閘閥一般由閘板、閥體、閥桿等組成，將各構(gòu)件看做一個(gè)整體，當(dāng)流體質(zhì)點(diǎn)流動(dòng)時(shí)，該整體便會(huì)支撐來(lái)自于流體流動(dòng)產(chǎn)生的壓力，同時(shí)，還會(huì)承受溫度載荷。在求解溫度場(chǎng)時(shí)，最為重要的邊界條件是熱源，而流體便是閘閥溫度場(chǎng)中的熱源。

將流體自身所具有的溫度荷載施加到閘閥內(nèi)壁面，使其外壁面直接與空氣接觸，在此基礎(chǔ)上，將相應(yīng)的對(duì)流換熱邊界條件作用于閘閥外壁面，利用上文提到的各公式，對(duì)溫度場(chǎng)的邊界條件進(jìn)行計(jì)算，以此明確閘閥溫度場(chǎng)實(shí)際分布。通過(guò)對(duì)溫度場(chǎng)分布情況進(jìn)行研究可以發(fā)現(xiàn)，閘閥負(fù)責(zé)承壓的各構(gòu)件，其溫度值均小于330℃，且不低于322℃，因閘閥上部分區(qū)域與內(nèi)壁面的間距較大，因此，從整體上來(lái)看，閘閥不同部位的溫度變化較為明顯[2]。

為了研究流體壓力對(duì)高溫高壓核電閘閥的的影響，可以按照以下流程進(jìn)行：在閘閥內(nèi)壁上施加流體壓力載荷，同時(shí)，將20MPa的壓力作用到閘閥閥體主通道兩端。由于和閥門相互連接的管道較長(zhǎng)，且軸向伸縮量遠(yuǎn)大于閥門，而閥門通道的徑向伸縮量與管道基本一致，基于多種因素的考慮，在閥門左側(cè)設(shè)置無(wú)摩擦約束并做好固定。采用該種方案測(cè)定流體壓力對(duì)閘閥的影響，可以得到以下研究結(jié)論即當(dāng)只有流體壓力荷載，沒有溫度荷載的情況下，閘閥有沿流體流動(dòng)方向的最大變形為19μm，其位置在閥門出口處。閘閥最大應(yīng)力為，位于閘板與閥體導(dǎo)向鍵的配合處，但該部位的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，極易出現(xiàn)應(yīng)力集中的問(wèn)題。

結(jié)論

開展核電閘閥流固熱耦合研究工作時(shí)，依托三維模型，得出兩點(diǎn)結(jié)論，即因位于閘閥位置的流道截面積會(huì)發(fā)生變化，使流經(jīng)該區(qū)域的流體在壓力的影響下出現(xiàn)波動(dòng)，且該部位還會(huì)產(chǎn)生渦流，通過(guò)減小截面積，可以起到降低渦流損耗的作用;因流體流速快，當(dāng)其流經(jīng)核電閘閥時(shí)，溫度不會(huì)發(fā)生太大的變化，而在閘閥位置生成渦流，這時(shí)的流體壓力將轉(zhuǎn)化為熱能，致使壁面底部溫度持續(xù)上升。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡林華，孔備，王伯天，等.多路閥閥芯流固熱耦合研究[J].液壓與氣動(dòng)，2020（11）：87-92.

[2]李瑞川，張振華，劉延俊，等.滑閥式多路閥流固耦合有限元分析[J].機(jī)床與液壓，2019，47（19）：109-113.