基于Simerics MP+的核電廠主給水調(diào)節(jié)閥流量特性數(shù)值模擬

陳修高，張 鵬，石 洋，胡服全，王 健

（1.國家電投集團科學技術(shù)研究院有限公司,北京 102209；2.國核華清(北京)核電技術(shù)研發(fā)中心有限公司,北京 102209；3.北京合工仿真技術(shù)有限公司,北京 100192）

核電調(diào)節(jié)閥廣泛應(yīng)用于核電站核島及常規(guī)島的各個系統(tǒng)中。調(diào)節(jié)閥性能成為系統(tǒng)性能的組成部分，其中流量特性是核電調(diào)節(jié)閥最為關(guān)注的問題之一。

目前研究核電調(diào)節(jié)閥性能主要以試驗與數(shù)值模擬為主。近年來在核電閥門試驗研究方面：于海峰等[1]采用試驗驗證核一級電動截止閥樣機的性能，其試驗數(shù)據(jù)表明，閥門滿足設(shè)計要求；符明海等[2]對ACP1000 核級主蒸汽安全閥的冷態(tài)和熱態(tài)性能進行試驗，其結(jié)果表明，熱態(tài)試驗比冷態(tài)試驗更能客觀反映閥門在實際工作狀態(tài)下的性能；文獻[3]也表明在條件允許的情況下應(yīng)進行熱態(tài)試驗，以保證核電站的安全性能；齊曉光等[4]開展了核級電動截止閥的流體阻斷試驗，驗證了開展閥門流體阻斷試驗的試驗方法；穆冠宇[5]對核電廠多級籠式調(diào)節(jié)閥的布置位置進行試驗研究，其結(jié)果表明，為不使管道產(chǎn)生破壞性水錘，閥芯需完全布置于浸沒水的管道中，布置管段中不能有空氣存在；徐斌福等[6]介紹了核級閥門試驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)可滿足不同類型核級閥門產(chǎn)品的功能性試驗。在數(shù)值模擬研究方面：劉雄偉等[7]利用數(shù)值模擬對AP1000 核電中壓調(diào)節(jié)閥所受氣動力矩進行數(shù)值模擬研究，其模擬結(jié)果與工程計算得到的結(jié)果基本吻合；Wang 等[8]利用數(shù)值模擬研究了迷宮調(diào)節(jié)閥的迷宮通道，其結(jié)果表明，迷宮通道可有效地使壓力下降，避免了空化現(xiàn)象的產(chǎn)生；何子昂等[9]通過數(shù)值模擬分析閥門內(nèi)部組件的沖刷損傷；文獻[10?11]采用數(shù)值模擬對大氣釋放閥前置隔離閥進行開啟特性的研究，其結(jié)果可為閥門的設(shè)計和改進提供參考；劉立志等[12]對核能裝置管路系統(tǒng)截止閥流體激振特性進行了研究，其結(jié)果表明直流式截止閥的流體激振特性優(yōu)于角式截止閥；陳志杰等[13]利用動網(wǎng)格技術(shù)研究了核級定壓差止回閥的閥瓣運動，其結(jié)果與試驗結(jié)果吻合程度良好；余航等[14]對船用核動力裝置止回閥的泄漏問題進行了熱流固耦合研究，計算結(jié)果可對閥門優(yōu)化提供幫助；沈國強等[15]對DN100 的核級套筒式調(diào)節(jié)閥流量特性進行了數(shù)值模擬，模擬值與試驗值有較好的吻合；文獻[16?17]分析閥芯形狀對調(diào)節(jié)閥流量特性的影響，對進一步研究核電站控制閥的流量控制和閥芯的優(yōu)化設(shè)計具有一定的參考；文獻[18?19]利用數(shù)值模擬和試驗相結(jié)合的方式研究了DN100 調(diào)節(jié)閥局部流動參數(shù)，其結(jié)果可用來開發(fā)改進調(diào)節(jié)閥閥內(nèi)件設(shè)計；祁崇可等[20]采用數(shù)值模擬方法研究核級主給水控制閥流道結(jié)構(gòu)，并通過流量試驗驗證了數(shù)值模擬方法的準確性。

在試驗研究方面，國內(nèi)研究者已經(jīng)取得了一系列成果，但大多都是針對口徑較小的閥門或冷態(tài)進行試驗，對于口徑較大的核電閥門（公稱尺寸>DN500）一般采用數(shù)值模擬的方法研究其內(nèi)流的流動特征。目前對于核電閥門的流場數(shù)值模擬研究基本是采用通用CFD 商業(yè)軟件如Fluent 等，雖然其基本能達到比較滿意的結(jié)果，但在閥門的動態(tài)研究方面，對于復雜結(jié)構(gòu)的大口徑調(diào)節(jié)閥，動網(wǎng)格技術(shù)實現(xiàn)起來較為困難，而將調(diào)節(jié)閥的行程等分開度進行穩(wěn)態(tài)研究，往往會忽略流量特性的細微特征。為此，本文采用泵閥類專用數(shù)值模擬軟件Simerics MP+對DN550 的核電主給水調(diào)節(jié)閥進行流量特性研究，并與目前傳統(tǒng)CFD 軟件（Fluent 軟件）結(jié)果進行對比分析。其結(jié)果表明，Simerics MP+在閥門動態(tài)研究方面具有獨特的優(yōu)勢，可為核電調(diào)節(jié)閥的動態(tài)研究提供參考。

1 數(shù)值計算理論與方法

為研究調(diào)節(jié)閥的流量特性，首先建立連續(xù)性方程和動量守恒方程，在研究流量特性的過程中不考慮流體介質(zhì)的熱交換，所以不需要求解能量方程。流場數(shù)值計算的基本控制方程為：

式中：ρ為流體密度；i,j=1,2,3；ui表示與xi相關(guān)聯(lián)的速度分量；Sm為源項，是從分散的二級相中加入到連續(xù)相的質(zhì)量；p為靜壓；gi和Fi分別是i方向上的重力和外部體積力；τij為應(yīng)力張量，由式（3）給出。

在主給水調(diào)節(jié)閥流量特性的研究中，可以使用許多湍流模型來模擬流場。其中，標準k-ε模型適用范圍廣，計算成本低，精度合理，是基于湍流動能及其耗散率的輸運方程的模型。該模型是從實驗現(xiàn)象中總結(jié)出來的半經(jīng)驗公式，目前已成為計算流場的主要工具。標準k-ε模型能夠在保證結(jié)果準確性的基礎(chǔ)上，提高計算效率[16]。因此，本文采用標準k-ε湍流模型進行流場數(shù)值模擬研究。其控制方程為：

式中：Gk表示由于平均速度梯度而產(chǎn)生的湍流動能；Gb是由于浮力產(chǎn)生的湍流動能；YM表示可壓縮湍流中的脈動膨脹對總耗散率的貢獻，本文流量系數(shù)研究的介質(zhì)為水，作為不可壓縮流體處理，所以可忽略此項的影響。

2 數(shù)值模擬幾何模型

2.1 三維結(jié)構(gòu)模型

圖1 是主給水調(diào)節(jié)閥的三維結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是調(diào)節(jié)閥三維流道示意圖。為了使閥內(nèi)流體流動充分均勻以及數(shù)值計算結(jié)果接近實際情況，根據(jù)標準IEC60534-2-3[21]的要求對調(diào)節(jié)閥進出口兩端加長管道。

圖1 主給水調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 主給水調(diào)節(jié)閥流道示意圖

2.2 網(wǎng)格劃分

閥芯與套筒之間存在微小間隙0.2mm，在Simerics MP+中可以建立結(jié)構(gòu)化間隙網(wǎng)格，并進行局部加密處理，如圖3 所示。在通用CFD 計算中為改善網(wǎng)格質(zhì)量，并提高計算效率，需要對其間隙和部分結(jié)構(gòu)進行簡化處理，采用四面體和六面體的混合網(wǎng)格對計算區(qū)域離散，如圖4 所示。

圖3 Simerics MP+網(wǎng)格劃分

圖4 通用CFD 網(wǎng)格劃分示意圖

2.3 網(wǎng)格無關(guān)性檢驗

為了獲得較為經(jīng)濟的網(wǎng)格，數(shù)值計算前需要進行網(wǎng)格無關(guān)性研究，通過比較計算模型的相關(guān)物理量隨網(wǎng)格密度變化的情況來選擇比較精確并且花費時間較少的網(wǎng)格單元數(shù)進行數(shù)值計算。以閥門全開時為例，邊界條件設(shè)置為進口壓力8MPa（絕壓8.1MPa），出口流量4867.1m3/h，計算出口壓力。表1 是Simerics MP+網(wǎng)格無關(guān)性檢驗結(jié)果。計算結(jié)果表明，增加網(wǎng)格數(shù)量對計算結(jié)果影響已經(jīng)很小，所以選取方案2。通用CFD 方法的網(wǎng)格劃分數(shù)量已達到3×106左右，計算結(jié)果變化已經(jīng)很小。

表1 網(wǎng)格無關(guān)性檢驗

2.4 計算方法

在Simerics MP+中設(shè)置閥門剛性勻速位移，從全開狀態(tài)到關(guān)閉，用時15s，位移隨時間變化如圖5所示。Simerics MP+集成有專用的閥門運動模板，無論是閥芯剛性勻速位移，還是閥芯與流體壓力等物理量成函數(shù)關(guān)系的動態(tài)運動，都容易實現(xiàn)。通用CFD 軟件采用將閥門行程均分為10 個相對開度的方法，每10%開度進行一組流量特性數(shù)值試驗，分別建立模型劃分網(wǎng)格，并進行穩(wěn)態(tài)計算。

圖5 Simerics MP+調(diào)節(jié)閥閥芯位移

流量系數(shù)Kv反映了調(diào)節(jié)閥的流通能力，是調(diào)節(jié)閥的主要評價指標之一，無論是在調(diào)節(jié)閥選型還是實際應(yīng)用中都具有非常重要的作用。本文利用模擬結(jié)果來計算調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)，從而進行對比分析。根據(jù)標準IEC60534-2-3，調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)計算為

式中：利用國際單位制計算時，N1值為0.1；qv是通過調(diào)節(jié)閥的流量，單位為m3/h；Δp為被測調(diào)節(jié)閥前后壓差，單位為kPa；ρ1為實際工況下流體密度；ρ0為常溫條件下的流體密度。

2.5 仿真計算條件

在Simerics MP+和通用CFD 的計算中，邊界條件相同，具體如表2 所示。

表2 計算邊界條件

計算與試驗所用的流體介質(zhì)一致，為去離子常溫水，其物性參數(shù)如表3 所示。

表3 流體介質(zhì)物性參數(shù)

3 結(jié)果與分析

3.1 定量結(jié)果對比

圖6 是2 種方法計算結(jié)果與試驗值的對比曲線圖。流量系數(shù)曲線是根據(jù)相應(yīng)開度的流量和壓差，由式（6）計算得到。由圖可知：主給水調(diào)節(jié)閥相對開度小于70%時，為等百分比流量特性；相對開度大于70%時，接近線性流量特性。由此可見，此主給水調(diào)節(jié)閥為復合式流量特性。相比通用CFD每10%開度進行一組流量特性數(shù)值試驗得到的結(jié)果，Simerics MP+計算的是調(diào)節(jié)閥從開啟到關(guān)閉的全過程，所得到的流量系數(shù)特性曲線為連續(xù)曲線，更能捕捉到調(diào)節(jié)閥流量特性細節(jié)。

圖6 流量特性計算結(jié)果對比圖

調(diào)節(jié)閥的試驗在國家電投中央研究院牽頭研制的壓水堆核電廠主給水調(diào)節(jié)閥試驗臺架上實施，如圖7 所示。由圖6 可知，Simerics MP+計算結(jié)果與試驗值的相對誤差更小，更接近真實值。表4 是試驗值與Simerics MP+、通用CFD 計算結(jié)果具體數(shù)值的對比。Simerics MP+的計算結(jié)果與試驗值的最大相對差值為5.71%，最小相對差值為0.14%，遠小于通用CFD 的計算結(jié)果，更接近于試驗結(jié)果。

圖7 試驗段樣機現(xiàn)場圖

表4 試驗值與Simerics MP+、通用CFD 結(jié)果對比

通用CFD 計算，一方面可再對網(wǎng)格進行細化處理，以減小誤差，但計算效率會大大降低；另一方面對模型進行的簡化處理會使相對誤差增大。

3.2 定性結(jié)果對比

圖8、圖9 分別是以主給水調(diào)節(jié)閥100%開度為例，采用2 種計算方法得到的壓力場云圖和速度場云圖。由圖8 可知，在壓力場分布方面，兩者的計算結(jié)果基本吻合，閥門上游處高壓，經(jīng)調(diào)節(jié)閥套筒窗口處節(jié)流降壓，壓降約為0.518MPa，進口到出口的壓力變化較為均勻。

圖8 壓力云圖對比

圖9 速度云圖對比

由圖9 可知，在速度場分布方面，兩者計算結(jié)果略有不同，表現(xiàn)在閥門下游區(qū)域流速分布不一致。閥門上游區(qū)域速度變化比較均勻，閥門位置速度變化明顯變大，在閥門套筒窗口處區(qū)域出現(xiàn)了高流速區(qū)，高流速區(qū)對閥體產(chǎn)生流體沖擊。由于閥門窗口節(jié)流處流通面積較小，結(jié)構(gòu)復雜，流體流過窗口時所受阻滯作用較大，導致閥門下腔室壓力大，閥門上腔室壓力較低，流體流速增大，因而在閥門下腔室節(jié)流處和閥門上腔室均形成渦流，且一直影響到閥門出口。

3.3 對比結(jié)果分析

通過對比，Simerics MP+計算得到的流量特性曲線能反映更多的流量特性細節(jié)。由于其計算的是調(diào)節(jié)閥開啟到關(guān)閉的連續(xù)過程，Simerics MP+憑借其集成的閥門運動模板對調(diào)節(jié)閥動態(tài)開啟或關(guān)閉過程的實現(xiàn)比通用CFD 計算的動網(wǎng)格更容易。通用CFD 每10%開度進行一組流量特性數(shù)值試驗的計算結(jié)果會忽略一些細節(jié)。

與本文所采用的通用CFD 計算結(jié)果相比，Simerics MP+計算結(jié)果與試驗值的相對誤差更小，更接近真實值。通用CFD 可以通過加密網(wǎng)格減小誤差，但會降低相應(yīng)的計算效率。相比來說，Simerics MP+能以相對較少的網(wǎng)格數(shù)量獲得更高的精確度。

4 結(jié)論

本文利用Simerics MP+和通用CFD 仿真數(shù)值分析方法對核電廠主給水調(diào)節(jié)閥的流量特性進行了研究，得到如下結(jié)論。

1）主給水調(diào)節(jié)閥相對開度小于70%時，為等百分比流量特性；相對開度大于70%時，接近線性流量特性。此主給水調(diào)節(jié)閥為復合式流量特性。

2）從分析結(jié)果來看，與本文所采用的通用CFD計算相比，Simerics MP+計算結(jié)果與試驗值的相對誤差更小，最大相對誤差值為5.71%，表現(xiàn)更優(yōu)。

3）通用CFD 可以通過加密網(wǎng)格減小誤差，但也會降低其計算效率，相比而言，Simerics MP+能以相對較少的網(wǎng)格數(shù)量獲得更高的精確度，且在閥門動態(tài)研究方面具有易實現(xiàn)的優(yōu)勢。