氫冷器回路調(diào)節(jié)閥開閉過程流場(chǎng)及噪聲特性

張 宇，何 超，袁少波

中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，四川 成都 610213

引言

調(diào)節(jié)閥是一種用于調(diào)節(jié)管道回路壓力、流量的典型水力設(shè)備[1-2]，廣泛應(yīng)用于核電站常規(guī)島。在常規(guī)島內(nèi)的氫冷器換熱回路中，水流通過氫冷器管束與周圍的氫氣進(jìn)行熱交換，以保證將氫氣溫度控制在規(guī)定范圍內(nèi)。隨著季節(jié)或發(fā)電功率的變化，通過氫冷器的水流流量是不同的，例如，在夏季時(shí)，氫冷器內(nèi)的換熱量較大，此時(shí)需要更大的回路流量。因此，調(diào)節(jié)閥需要人為地或自動(dòng)地改變其開度，以滿足各種流量需求。

在開度調(diào)節(jié)過程中，由于閥門的過水面積持續(xù)變化，導(dǎo)致穩(wěn)定的流動(dòng)狀態(tài)被破壞，勢(shì)必造成閥門內(nèi)部的壓力波動(dòng)。由此引發(fā)的水力噪聲會(huì)對(duì)環(huán)境舒適性以及設(shè)備的安全性帶來不利影響[3]。因此，有必要較為全面地探究氫冷器回路調(diào)節(jié)閥在開閉過程中的流場(chǎng)及噪聲特性。隨著計(jì)算機(jī)硬件及并行化技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）方法已能較為高效準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)復(fù)雜流場(chǎng)[4]。崔銘超等[5]為最大限度降低閥芯的振動(dòng)幅度，通過Fluent 對(duì)直角形截止閥的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，進(jìn)而對(duì)截止閥的內(nèi)部流道形貌進(jìn)行了優(yōu)化，最終提高了閥桿的特定方向剛度。徐文濤等[6]使用Fluent 中的寬頻噪聲模型對(duì)大通徑氣動(dòng)截止閥的動(dòng)態(tài)流動(dòng)特性進(jìn)行了模擬，并依托計(jì)算結(jié)果對(duì)原有設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，使平均聲功率級(jí)降低約10%。RYU 等[7]通過CFD 方法獲得某節(jié)流閥在快速開啟過程中的內(nèi)部非定常流場(chǎng)，并通過Lighthill 聲類比方法對(duì)內(nèi)部氣動(dòng)噪聲進(jìn)行了分析。孫卓等[8]借助CFD 方法和LMS Virtual.Lab 聲學(xué)分析程序?qū)Νh(huán)控系統(tǒng)回路中的蝶形氣動(dòng)閥開展了聯(lián)合仿真，結(jié)果表明蝶形閥開度和來流速度對(duì)噪聲聲壓級(jí)有較大影響，應(yīng)避免使蝶形閥長期小開度運(yùn)行。SEMRAU 等[9]對(duì)空化閥內(nèi)的聲共振現(xiàn)象進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究，他們以測(cè)試對(duì)象的CFD方法模擬結(jié)果對(duì)尖銳噪聲產(chǎn)生的根本原因進(jìn)行了探究。徐號(hào)鐘等[10]結(jié)合Fluent 和Actran 軟件，采取CFD 和CAA 混合計(jì)算方法，對(duì)某截止閥及其改進(jìn)型號(hào)進(jìn)行了數(shù)值模擬，總結(jié)提取了小孔消聲裝置的作用機(jī)理。

從以上文獻(xiàn)中可以看出，應(yīng)用合適的CFD 和聲學(xué)方法捕捉閥門（包括截止閥、氣動(dòng)閥和空化閥等）內(nèi)部流場(chǎng)及噪聲特點(diǎn)的做法已較為廣泛。而目前對(duì)于核能管道中的調(diào)節(jié)閥研究較少，涉及瞬態(tài)工況的更為少見。

本文運(yùn)用Fluent[11]對(duì)氫冷器回路調(diào)節(jié)閥在關(guān)閉開啟這一完整過程中的流場(chǎng)展開三維非定常模擬研究，同時(shí)借助FW-H 聲學(xué)類比模型對(duì)上述運(yùn)動(dòng)過程的水力噪聲進(jìn)行評(píng)估，最后，對(duì)幾種特定開度下的流場(chǎng)及噪聲特性進(jìn)行了分析。

1 數(shù)值方法

采取標(biāo)準(zhǔn)k-ε 二方程湍流模型進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)壓力-速度耦合方程的求解采用半隱格式（SIMPLE）[12-13]，空間梯度離散格式為基于單元的最小二乘法，壓力項(xiàng)采用二階離散格式，湍流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)離散格式以提高精度。時(shí)間推進(jìn)步長取0.001 s，每個(gè)時(shí)間步內(nèi)迭代計(jì)算20 次以保證結(jié)果收斂。

1.1 流體控制方程

不可壓縮的流場(chǎng)流動(dòng)特性可通過求解連續(xù)性方程和動(dòng)量守恒方程（N-S 方程）得到。連續(xù)性方程（質(zhì)量守恒定律）的微分形式為[14]

在不可壓縮流動(dòng)中，流體密度不隨時(shí)間變化，式（1）即可退化成關(guān)于微團(tuán)速度的散度方程。微分形式的N-S 方程為[14]

1.2 標(biāo)準(zhǔn)k-ε 湍流模型

相較于其他雷諾平均湍流模型，標(biāo)準(zhǔn)k-ε 湍流模型已被證明能更好地模擬管道內(nèi)流流動(dòng)，且被廣泛應(yīng)用于工業(yè)流動(dòng)計(jì)算，其計(jì)算開銷較為適中[15-17]。該模型的控制方程為

上述參數(shù)取值詳見文獻(xiàn)[18]。

對(duì)于管內(nèi)流動(dòng)，一般根據(jù)基于管道直徑的雷諾數(shù)Re判斷其是否為湍流狀態(tài)，Re的定義為

式中：Re雷諾數(shù)，無因次；

1.3 聲學(xué)類比模型

采取FW-H 聲學(xué)類比模型對(duì)瞬態(tài)流場(chǎng)的時(shí)變壓力進(jìn)行處理得到噪聲特性，該模型本質(zhì)上是一種各向異性的波動(dòng)方程[19-20]。該模型的標(biāo)量形式為

式（9）右側(cè)第一項(xiàng)表示由湍流引起的四極子聲源項(xiàng)，第二項(xiàng)表示由物面脈動(dòng)壓力引起的偶極子聲源項(xiàng)，第三項(xiàng)表示由物面加速度引起的單極子聲源項(xiàng)。因此，當(dāng)閥門處于靜止時(shí)，可忽略單極子聲源項(xiàng)，此時(shí)只需考慮湍流和脈動(dòng)壓力造成的聲源項(xiàng)。而對(duì)于開度變化的閥門而言，這3 類聲源項(xiàng)均不可忽略。

2 模型及驗(yàn)證

2.1 幾何及網(wǎng)格

文中所用調(diào)節(jié)閥為某核電站常規(guī)島內(nèi)的真實(shí)模型。在獲得調(diào)節(jié)閥各個(gè)部件的三維模型后，通過裝配、布爾操作及流場(chǎng)域抽取等操作得到100%開度狀態(tài)下的調(diào)節(jié)閥流體幾何模型。如圖1 所示，調(diào)節(jié)閥模型邊界主要包含入口、出口、閥體和閥芯等。其中，閥芯是唯一可動(dòng)的部件，閥芯的上升或下降會(huì)改變閥門內(nèi)部的過水面積。

圖1 調(diào)節(jié)閥模型示意圖Fig.1 Schema of regulating valve model

該調(diào)節(jié)閥的出入口直徑D=259 mm，閥門沿流向的長度為L=727 mm，閥芯從100%開度到0 開度之間的總行程A=67.8 mm。為保證流體流經(jīng)調(diào)節(jié)閥后充分發(fā)展，將閥門出口往后延長20L，將閥門入口往前延長8L。

網(wǎng)格劃分工具為ICEM CFD，由于調(diào)節(jié)閥表面造型較為復(fù)雜，使用分塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分功能難以保證網(wǎng)格質(zhì)量，故在調(diào)節(jié)閥內(nèi)采取全四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格剖分，閥門內(nèi)部的剖面網(wǎng)格如圖2 所示。在閥門兩側(cè)的管道中采用O-Block 分塊方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)網(wǎng)格剖分。兩側(cè)管道和調(diào)節(jié)閥通過Interface 進(jìn)行數(shù)據(jù)插值傳遞，閥門與兩側(cè)管道的表面網(wǎng)格見圖3。為準(zhǔn)確模擬流體的壓力沿程損失，布置第一層網(wǎng)格高度為0.5 mm，壁面網(wǎng)格的法向增長率為1.2，圖4顯示了管道橫截面上網(wǎng)格分布情況。

圖2 調(diào)節(jié)閥剖面網(wǎng)格Fig.2 Profile mesh of regulating valve

圖3 調(diào)節(jié)閥與管道的表面網(wǎng)格Fig.3 Surface mesh of regulating valve and pipeline

圖4 管道橫截面網(wǎng)格Fig.4 Cross profile mesh of pipeline

經(jīng)多次試算及網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證后，確定最終的模型網(wǎng)格信息見表1。由于管道部分采取的是全六面體網(wǎng)格填充，因此，其網(wǎng)格數(shù)量少于調(diào)節(jié)閥，用于后續(xù)計(jì)算的網(wǎng)格總數(shù)為365 552。其中，管道最低正交質(zhì)量為0.74，最大網(wǎng)格扭曲率為0.26；調(diào)節(jié)閥最低正交質(zhì)量為0.40，最大網(wǎng)格扭曲率為0.55，最大長寬比為882。因此，文中網(wǎng)格可以滿足計(jì)算要求。

表1 網(wǎng)格信息Tab.1 Mesh information

2.2 動(dòng)網(wǎng)格

在嚴(yán)格意義上，閥門開度從100% 到0 再到100%被視為一個(gè)完整運(yùn)動(dòng)周期。但對(duì)于使用傳統(tǒng)動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)的數(shù)值模擬，0 開度無法實(shí)現(xiàn)。這是因?yàn)楫?dāng)閥門開度為0 時(shí)，閥芯與閥體會(huì)完全接觸，此時(shí)閥門上下游完全分離，內(nèi)部流場(chǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生改變。在閥芯和閥體之間原本存在的網(wǎng)格不會(huì)消失而是被無限壓縮，此時(shí)求解器會(huì)因網(wǎng)格畸變而終止計(jì)算?？山邮艿奶幚矸椒ㄊ?，在數(shù)值模擬中以一小開度值作為閥門運(yùn)動(dòng)的下限。再者，從實(shí)際監(jiān)測(cè)值來看，核電廠中的該調(diào)節(jié)閥開度一般不會(huì)低于5%，冬季最低開度基本處于7%～12%，因此，本文規(guī)定以10%開度作為閥門的運(yùn)動(dòng)下限。

調(diào)節(jié)閥開度通過閥芯的垂直運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，閥芯的位移遵循正余弦變化規(guī)律，閥芯從100%開度下降至10%開度這一過程被視為半個(gè)周期，到達(dá)10%開度后繼續(xù)恢復(fù)至100%開度則完成一個(gè)完整周期的運(yùn)動(dòng)。周期為4 s，圖5 展示了閥芯在一個(gè)周期內(nèi)的位移與速度變化。

圖5 閥芯位移與速度時(shí)程曲線Fig.5 Time history curves of spool displacement and velocity

網(wǎng)格中的閥芯邊界運(yùn)動(dòng)由DEFINE_GRID_MOTION 宏實(shí)現(xiàn)，該宏主要用于對(duì)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制[21]。考慮到文中計(jì)算格式為瞬態(tài)，需要對(duì)該網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)宏進(jìn)行并行化處理，嵌入到Fluent 中的閥芯邊界運(yùn)動(dòng)宏見附錄。

在部件運(yùn)動(dòng)后，流場(chǎng)網(wǎng)格形狀將發(fā)生變化，若不對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行調(diào)整，則可能造成網(wǎng)格質(zhì)量降低甚至產(chǎn)生負(fù)體積網(wǎng)格以致計(jì)算崩潰。文中調(diào)節(jié)閥內(nèi)部的網(wǎng)格通過“網(wǎng)格重構(gòu)”和“彈簧光順”方法共同實(shí)現(xiàn)位置更新[22]。顧名思義，“網(wǎng)格重構(gòu)”即重新劃分網(wǎng)格，當(dāng)網(wǎng)格量增多時(shí)該方法較為耗時(shí)。而“彈簧光順”的原理是將網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)用虛擬的彈簧連接，初始狀態(tài)下各網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。當(dāng)邊界上的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)發(fā)生運(yùn)動(dòng)后，將產(chǎn)生一個(gè)與連接到該邊界節(jié)點(diǎn)所有彈簧變形成正比的力，由于系統(tǒng)需要維持平衡狀態(tài)，這個(gè)力就被傳播到流場(chǎng)內(nèi)部的其他網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，最后通過計(jì)算節(jié)點(diǎn)之間的靜力平衡方程即可獲得更新后的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)位置?！皬椈晒忭槨钡臄?shù)學(xué)迭代公式為

彈性常數(shù)kij的定義為

式中：

xi，xj網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)i和j的位置矢量。

特別在與閥芯緊密連接的其他壁面邊界上，需使用“網(wǎng)格重構(gòu)”方法進(jìn)行面網(wǎng)格更新，否則，在閥芯運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)出現(xiàn)局部面網(wǎng)格質(zhì)量迅速降低的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響計(jì)算精度。

3 方法驗(yàn)證

選取10%、30%、50%、70%和100%開度下的調(diào)節(jié)閥模型作為驗(yàn)證對(duì)象。由文中方法計(jì)算得到上述各開度下的調(diào)節(jié)閥相對(duì)流量，并與閥門流量特征曲線進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算方法的可靠性。圖6展示了數(shù)值計(jì)算與出廠流量特性曲線的關(guān)系，可見數(shù)值計(jì)算結(jié)果與出廠結(jié)果的差距很小，表明本文數(shù)值方法可被用于后續(xù)計(jì)算。

圖6 流量特性對(duì)比Fig.6 Comparison of flow flux feature

4 結(jié)果和討論

取常溫（20°C）下的水作為流體介質(zhì)，其密度ρ=998 kg/m3，黏度μ=0.001 Pa·s，參考?jí)毫?01 325 Pa。取來流雷諾數(shù)Re=8.3×105，由式（5）可知，管道入口對(duì)應(yīng)的內(nèi)流流速V=3.2 m/s，管道入口的湍流邊界條件由湍流強(qiáng)度和水力直徑確定，由式（8）可知，入口湍流強(qiáng)度為3%，水力直徑等效為調(diào)節(jié)閥出入口直徑D。表2 統(tǒng)計(jì)了管道出入口的邊界類型及初始條件。

表2 邊界初始條件Tab.2 Boundary initial conditions

噪聲監(jiān)測(cè)點(diǎn)的設(shè)置見圖7，監(jiān)測(cè)點(diǎn)1、2 分別位于閥芯與下游管道銜接處的左、右側(cè)，這兩處監(jiān)測(cè)點(diǎn)靠近閥芯運(yùn)動(dòng)軌跡，因此，其壓力及速度場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生明顯的瞬態(tài)變化，能較為清晰地體現(xiàn)噪聲特性。

圖7 水力噪聲監(jiān)測(cè)點(diǎn)Fig.7 Hydraulic noise monitoring points

4.1 調(diào)節(jié)閥瞬態(tài)流場(chǎng)

圖8 展示了在0.1，1.0，2.0，3.0 和4.0 s 時(shí)調(diào)節(jié)閥計(jì)算域剖面上的靜壓分布?？梢钥吹剑谡{(diào)節(jié)閥與管道的銜接處沒有出現(xiàn)明顯的壓力間斷，說明Interface 起到了很好的數(shù)據(jù)插值傳遞效果。隨著閥芯的下降，調(diào)節(jié)閥內(nèi)的壓力逐漸增大，當(dāng)閥芯下至最低處（對(duì)應(yīng)10%開度）時(shí)，調(diào)節(jié)閥內(nèi)大部分區(qū)域達(dá)到壓力峰值。從圖8 可見，在10%開度下（2.0 s），閥芯外圍區(qū)域的壓力還未達(dá)到峰值，存在一定的延時(shí)現(xiàn)象。

另外，圖8 中1.0 s 和3.0 s 對(duì)應(yīng)調(diào)節(jié)閥開度均為50%，只不過1.0 s 的狀態(tài)處于關(guān)閉過程，而3.0 s處于開啟過程。從圖中可見，在50%開度下的壓力分布基本一致，在3.0 s 時(shí)閥芯出口部位的局部壓力略有增高。總體而言，在閥芯的關(guān)閉開啟過程中，調(diào)節(jié)閥內(nèi)部壓力分布的對(duì)稱性較好。

圖8 不同時(shí)刻剖面壓力分布Fig.8 Profile pressure distribution at different time

圖9 展示了在0.1，1.0，2.0，3.0 和4.0 s 時(shí)調(diào)節(jié)閥計(jì)算域剖面上的速度分布。從時(shí)間歷程來看，體現(xiàn)的速度場(chǎng)周期性較差，1.0 s 和3.0 s 對(duì)應(yīng)的流體速度分布較為不同，在調(diào)節(jié)閥與下游閥門連接處顯得尤為明顯。1.0 s 時(shí)調(diào)節(jié)閥下游的大流速流體主要集中在管道上部，而3.0 s 時(shí)的大流速流體出現(xiàn)在管道下部。從圖9 還可以看到，最大速度主要分布在調(diào)節(jié)閥內(nèi)部的拐角處，此處出現(xiàn)較強(qiáng)的流動(dòng)分離，會(huì)導(dǎo)致該處形成局部低壓區(qū)，進(jìn)而引起該處流速增大。當(dāng)開度最低時(shí)，閥芯通道內(nèi)的流速迅速增大，符合基本認(rèn)識(shí)。

圖9 不同時(shí)刻剖面速度分布Fig.9 Profile velocity distribution at different time

圖10 顯示了監(jiān)測(cè)點(diǎn)1、2 處的靜壓時(shí)程變化，可以看到，監(jiān)測(cè)點(diǎn)1 在整個(gè)閥芯運(yùn)動(dòng)過程中的壓力具有良好的對(duì)稱性，其最大靜壓約為1.5 MPa，在2.0 s 時(shí)取得，這與圖8 中的壓力分布云圖一致。而監(jiān)測(cè)點(diǎn)2 在整個(gè)計(jì)算周期內(nèi)的壓力分布較為混亂，不具備對(duì)稱性，不過在開度較小的狀態(tài)下其壓力值仍較高。監(jiān)測(cè)點(diǎn)2 處的壓力波動(dòng)體現(xiàn)出調(diào)節(jié)閥與下游管道連接處的流動(dòng)狀態(tài)受開度影響較大。

圖10 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的靜壓時(shí)程曲線Fig.10 Time history curves of pressure at monitoring points

4.2 瞬態(tài)噪聲特性

在得到閥門移動(dòng)和靜止壁面的瞬態(tài)壓力脈動(dòng)值后，通過傅里葉變換即可得到四極子、偶極子和單極子噪聲源。圖11 給出了監(jiān)測(cè)點(diǎn)1、2 的聲壓級(jí)頻率響應(yīng)曲線。從該頻率響應(yīng)曲線可知，由閥芯運(yùn)動(dòng)造成的水力噪聲沒有明顯的主頻，可以理解成一種寬頻噪聲，且聲壓級(jí)隨頻率的增加而緩慢降低。

圖11 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)頻率響應(yīng)曲線Fig.11 Frequency response curves of sound pressure level at monitoring points

監(jiān)測(cè)點(diǎn)1 以50 Hz 為中心的聲壓級(jí)為118.3 dB，以200 Hz 為中心的聲壓級(jí)為114.6 dB，以300 Hz 為中心的聲壓級(jí)為113.1 dB。監(jiān)測(cè)點(diǎn)2 以50 Hz 為中心的聲壓級(jí)為105.3 dB，以200 Hz 為中心的聲壓級(jí)為109.7 dB，以300 Hz 為中心的聲壓級(jí)為102.7 d-B?？傮w而言，監(jiān)測(cè)點(diǎn)2 處的聲壓級(jí)比監(jiān)測(cè)點(diǎn)1 低約8%。

4.3 典型開度下的噪聲特性

本節(jié)對(duì)調(diào)節(jié)閥在100%、50%和10%3 種開度下開展了流動(dòng)噪聲特性對(duì)比，如圖12～圖14 所示。

圖12 100%開度下的聲壓級(jí)頻率響應(yīng)曲線Fig.12 Frequency response curves of sound pressure level at 100%opening

圖13 50%開度下的聲壓級(jí)頻率響應(yīng)曲線Fig.13 Frequency response curves of sound pressure level at 50%opening

圖14 10%開度下的聲壓級(jí)頻率響應(yīng)曲線Fig.14 Frequency response curves of sound pressure level at 10%opening

在這3 種典型開度下，水力噪聲類型均為寬頻噪聲，且監(jiān)測(cè)點(diǎn)2 處的聲壓級(jí)均小于監(jiān)測(cè)點(diǎn)1。隨著調(diào)節(jié)閥開度的降低，監(jiān)測(cè)點(diǎn)1、2 處的聲壓級(jí)逐漸升高，這是由于開度降低后，流體通過閥芯的過水面積減小，促使流體流經(jīng)閥芯后產(chǎn)生更劇烈的回流、局部渦流等情況。另外可見，在100%開度下，監(jiān)測(cè)點(diǎn)1、2 處的聲壓級(jí)有較大的重疊區(qū)域，隨著調(diào)節(jié)閥開度的降低，重疊區(qū)域逐漸縮小，即兩處監(jiān)測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)差距逐漸增加。

5 結(jié)論

（1）k-ε 湍流模型對(duì)于帶閥門的管道內(nèi)流具有良好的預(yù)測(cè)精度。

（4）當(dāng)調(diào)節(jié)閥處于小開度狀態(tài)時(shí)，閥門整體噪聲較高，且閥門內(nèi)外的噪聲水平差距較大。

附錄

嵌入到Fluent 中的閥芯邊界運(yùn)動(dòng)宏