泵閥耦合瞬變流場下旁通閥動態(tài)特性研究

譚術(shù)洋 周 寧 譚 鑫 李 毅 關 莉

（中國核動力研究設計院）

旁通閥是提升反應堆冷卻劑系統(tǒng)自然循環(huán)能力的重要設備，其關鍵部件為周向均布的6組活動閥瓣，閥瓣狀態(tài)完全取決于內(nèi)部流場。為確保反應堆冷卻劑系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定運行，需掌握自然來流和泵啟動來流條件下旁通閥的動態(tài)特性。 按以往工程經(jīng)驗， 該類閥門易發(fā)生因關閉水錘導致閥門無法關閉、開啟后閥位震顫等問題，這是因為閥門設計時僅針對閥門本身開展了定常模擬計算［1］，該計算結(jié)果并不能反映泵閥耦合瞬變流場對閥門動態(tài)特性的影響。 為此，筆者以旁通閥為研究對象，采用CFD數(shù)值分析方法， 結(jié)合UFD和動網(wǎng)格分析技術(shù)， 開展泵閥耦合瞬變流場下閥瓣動態(tài)仿真分析研究， 以獲得旁通閥在不同工況瞬變流場下的動態(tài)特性、 驗證旁通閥的性能并提出優(yōu)化改進措施。

1 旁通閥簡介

旁通閥（圖1）主要由閥體、閥瓣、上支撐環(huán)及下支撐環(huán)等組成，6組閥瓣在閥體上沿周向均布。旁通閥布置在泵出口套管內(nèi)，泵正常運行時，旁通閥關閉， 以防止反應堆冷卻劑從雙層套管中腔回流到環(huán)腔，自然來流工況下，由密度差驅(qū)動形成的反應堆冷卻劑流經(jīng)雙層套管環(huán)腔時， 在流動介質(zhì)的作用下旁通閥開啟， 大部分介質(zhì)通過旁通閥旁流至雙層套管內(nèi)腔， 從而減小反應堆冷卻劑沿程阻力，提高該系統(tǒng)自然循環(huán)的能力。

圖1 旁通閥結(jié)構(gòu)示意圖

泵主要參數(shù)為：

額定轉(zhuǎn)速 1 000 r/min

額定揚程 3 m（H2O）

額定流量 400 m3/h

葉片數(shù)量 4

泵啟動時間 0.68 s

旁通閥主要參數(shù)為：

全開角度 35°

自然開度 15°

閥瓣質(zhì)量 0.69 kg

閥瓣重心距轉(zhuǎn)軸中心距 51 mm

閥瓣全開力矩 0.120 N·m

閥瓣全關力矩 0.089 N·m

2 動態(tài)數(shù)值模型

2.1 瞬變流場與閥瓣運動的動態(tài)耦合

通過自定義函數(shù)控制泵啟動過程中泵轉(zhuǎn)子區(qū)域的運動和閥瓣的運動，由動網(wǎng)格實現(xiàn)閥瓣計算域網(wǎng)格的動態(tài)模擬，依據(jù)泵閥內(nèi)部流場的動態(tài)模擬得到閥瓣的受力狀態(tài)， 獲得閥瓣運動規(guī)律（圖2）。 同時， 閥瓣的運動也會影響泵閥內(nèi)部流場，從而實現(xiàn)泵閥內(nèi)部流場與閥瓣運動的動態(tài)耦合［2］。

圖2 動態(tài)耦合過程示意圖

2.2 旁通閥計算模型

2.2.1 控制方程選取

a. 當φ=1時，式（1）即為質(zhì)量守恒方程，Sφ即為質(zhì)量源項；

b. 當φ=u時，式（1）即為x方向動量守恒方程，Sφ即為x方向動量源項；

c. 當φ=v時，式（1）即為y方向動量守恒方程，Sφ即為y方向動量源項；

d. 當φ=w時，式（1）即為z方向動量守恒方程，Sφ即為z方向動量源項。

2.2.2 網(wǎng)格劃分

旁通閥閥瓣為固體模型，采用動網(wǎng)格；其余部分為流體模型，采用靜網(wǎng)格。 多個網(wǎng)格區(qū)域通過交界面實現(xiàn)拼接， 以形成整體模型計算區(qū)域（圖3）。

圖3 整體模型網(wǎng)格劃分

為避免旁通閥的6個閥瓣在運動過程中對網(wǎng)格重構(gòu)造成干擾，將每個閥瓣單獨劃分為一個區(qū)域， 區(qū)域之間通過網(wǎng)格拼接實現(xiàn)物理量傳遞，以保證動網(wǎng)格重構(gòu)穩(wěn)定性［4，5］。

2.2.3 模型設置

湍流模型采用考慮了湍動能對流輸送和擴散輸送的RNG k-ε模型［6，7］。 為保證葉片轉(zhuǎn)動周期內(nèi)時間子步數(shù)不少于10步， 將瞬態(tài)分析時間子步確定為0.001 s。經(jīng)試算，旁通閥閥瓣擺動周期大于0.1 s，時間步長滿足仿真分析閥瓣運動的需求。

為獲得旁通閥在不同工況瞬變流場下的動態(tài)特性，利用UDF編程定義閥瓣運動，模擬閥瓣實際運動情況；定義轉(zhuǎn)子區(qū)域轉(zhuǎn)速隨時間變化的函數(shù)，模擬泵轉(zhuǎn)動啟動過程；設定閥瓣到達限位位置動量損失20%， 模擬閥瓣機械限位因彈性碰撞產(chǎn)生的能量損失。

3 計算結(jié)果與討論

3.1 工況選擇

為獲得旁通閥閥瓣在開啟和關閉狀態(tài)下的動態(tài)響應特性，掌握瞬變流場條件下流體對閥瓣的作用力矩， 驗證旁通閥周向6組閥瓣的開啟/關閉穩(wěn)定性， 在自然來流工況和泵啟動來流工況下，分別對泵閥耦合開展動態(tài)仿真分析。

3.1.1 自然來流工況

旁通閥周向布置的6組閥瓣在自然狀態(tài)處于開啟狀態(tài)， 在自然來流工況下旁通閥閥瓣在介質(zhì)流量作用下開啟。 因此旁通閥結(jié)構(gòu)設計應保證其在自然來流工況下能夠?qū)崿F(xiàn)完全開啟，且閥瓣能夠穩(wěn)定保持在全開位置， 不發(fā)生閥位震顫。

3.1.2 泵啟動來流工況

泵由停運狀態(tài)啟動時， 旁通閥周向6組閥瓣在泵揚程作用下由自然狀態(tài)（開啟狀態(tài)）關閉。 由于旁通閥距離泵出口較近，且泵出口流場復雜的瞬變旋轉(zhuǎn)流場，因此旁通閥結(jié)構(gòu)設計上應保證在泵啟動過程中能夠關閉到位（不會產(chǎn)生由于水錘導致無法關閉到位的現(xiàn)象），且在泵運行過程中，能夠穩(wěn)定保持全關狀態(tài)。

3.2 自然來流工況下的動態(tài)特性

自然來流工況下，旁通閥閥瓣開啟角度隨時間的變化曲線如圖4所示。 由圖4可見，閥瓣開啟角度在來流沖擊0.40 s內(nèi)隨時間呈線性增加的趨勢，在0.40 s時達到全開位置，隨后發(fā)生回彈、振蕩，其開啟角度在32～33°之間波動。 這是由于部分介質(zhì)從雙層套管環(huán)腔流通過泵葉輪進入雙層套管內(nèi)腔，該部分介質(zhì)對閥瓣產(chǎn)生的作用力矩未能完全克服閥瓣的重力矩。 同時，6組閥瓣開啟角度隨時間變化規(guī)律基本一致，可以證明旁通閥運動受泵出口旋轉(zhuǎn)流場的作用較小。

圖4 自然來流工況閥瓣開啟角度隨時間的變化曲線

旁通閥閥瓣在自然來流過程中，其總力矩在0.40 s時降至最小后急增并隨時間逐漸趨于平緩（圖5）， 這說明閥瓣在到達限位的位置后出現(xiàn)了彈性碰撞。

圖5 自然來流工況閥瓣所受總力矩隨時間的變化曲線

3.3 泵啟動來流工況下的動態(tài)特性

為獲取旁通閥閥瓣在泵啟動過程中和泵穩(wěn)定運行過程中的動作特性，計算總時間定為3.50 s。 閥瓣開啟角度、閥瓣所受總力矩和泵揚程隨時間的變化曲線如圖6～8所示。 由圖6～8可見：閥瓣在泵啟動后約0.40 s實現(xiàn)完全關閉， 此時泵尚未達到額定轉(zhuǎn)速（0.68 s達到額定轉(zhuǎn)速）；在泵啟動過程中，泵揚程隨轉(zhuǎn)速升高不斷增大，在達到額定轉(zhuǎn)速后， 隨系統(tǒng)流量的增大逐漸減小，直至保持穩(wěn)定；旁通閥閥瓣所受力矩隨時間的變化趨勢與泵揚程一致，這一結(jié)果表明旁通閥閥瓣所受力矩主要受泵揚程制約；旁通閥閥瓣完全關閉后、泵保持穩(wěn)定運行過程中（t＞3.20 s）所受力矩約為6.7 N·m， 遠大于閥瓣保持關閉需克服的重力矩（0.089 N·m），且閥瓣所受總力矩隨時間的變化波動范圍小， 說明在泵保持額定運行過程中，泵出口旋轉(zhuǎn)流場對處于關閉狀態(tài)的閥瓣無影響。

圖6 泵啟動來流、閥門關閉工況時閥瓣開啟角度隨時間的變化曲線

3.4 閥瓣運動不同步影響分析

圖7 閥瓣所受總力矩隨時間的變化曲線

圖8 泵揚程隨時間的變化曲線

由于機加工誤差、實際裝配關系存在一定偏差等因素， 旁通閥周向6組閥瓣在啟閉過程中所受摩擦力矩不完全一致，同一時刻的開啟/關閉角度會存在一定相位差。 由于在模擬計算中未考閥瓣的摩擦力矩，因此為了模擬周向閥瓣啟閉過程中開啟/關閉角度同步性差異對其開啟/關閉性能的影響，將其中3組閥瓣初始角度設置為22°，其余為15°保持不變進行仿真分析，結(jié)果表明初始相位角不同的閥瓣最終均能夠達到完全開啟/關閉位置（圖9、10），這說明即使旁通閥的周向閥瓣在開啟/關閉過程中開啟角度同步性存在差異，也不影響旁通閥實現(xiàn)完全開啟/關閉且能穩(wěn)定保持在完全開啟或者完全關閉的狀態(tài)。

圖9 閥瓣開啟角度隨時間的變化曲線

4 旁通閥選材優(yōu)化

圖10 閥門關閉時閥瓣開啟角度隨時間的變化曲線

為解決旁通閥未能夠?qū)崿F(xiàn)完全開啟的問題，依據(jù)上述分析的結(jié)果，將閥瓣的材料由不銹鋼改換為鈦合金，以降低其重力矩，優(yōu)化后的單個閥瓣質(zhì)量由0.69 kg降至0.39 kg（完全開啟所克服重力矩由0.120 N·m降低至0.066 N·m，完全關閉需克服重力矩由0.089 N·m降低至0.050 N·m）。 重新計算的結(jié)果表明，旁通閥閥瓣在經(jīng)過數(shù)次全開回彈后，6組閥瓣最終均可實現(xiàn)完全開啟（圖11），這一結(jié)果證明閥瓣材料輕量優(yōu)化有效；閥瓣所受流體作用力矩在閥瓣完全開啟后隨時間變化存在脈動現(xiàn)象，且始終大于閥瓣重力矩（即所受總力矩為正）（圖12）， 這是由于閥瓣開啟后為鈍體繞流， 在閥板背部和基座的下部容易形成渦流（圖13），在渦的形成、長大、脫落和再生成的循環(huán)過程中流體對閥瓣產(chǎn)生脈動作用力矩。

圖11 自然來流工況閥瓣（鈦合金）開啟角度隨時間的變化曲線

圖12 自然來流工況閥瓣（鈦合金）總力矩隨時間的變化曲線

圖13 自然來流工況不同時刻泵閥內(nèi)部流場

5 結(jié)論

5.1 在自然來流條件下， 鈦合金的旁通閥周向6組閥瓣能夠?qū)崿F(xiàn)完全開啟，而且內(nèi)部瞬變流場對閥瓣的作用力矩在渦流作用下隨時間有一定脈動， 在開啟過程中周向6組閥瓣相互間無明顯耦合現(xiàn)象。

5.2 在泵啟動來流條件下， 旁通閥周向6組閥瓣能夠順利實現(xiàn)完全關閉， 在泵連續(xù)運行過程中，在泵出口呈時間脈動的瞬變流場作用下閥瓣能夠可靠保持在關閉狀態(tài)。

5.3 旁通閥閥瓣開啟/關閉角度的同步性差異不影響旁通閥啟閉性能。