紀(jì)繁祥，楊夢(mèng)珂，周 杰

（哈爾濱工程大學(xué)核安全與仿真技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150001）

頂桿型線(xiàn)對(duì)泄放水調(diào)節(jié)閥流量特性的影響研究

紀(jì)繁祥，楊夢(mèng)珂，周 杰

（哈爾濱工程大學(xué)核安全與仿真技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150001）

泄放水調(diào)節(jié)閥流量特性關(guān)系到泄放水蒸發(fā)器能否正常工作。為了研究頂桿型線(xiàn)對(duì)泄放水調(diào)節(jié)閥流量特性的影響，采用CFD方法對(duì)采用不同頂桿型線(xiàn)的調(diào)節(jié)閥的流量特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，將圓柱頂桿側(cè)面對(duì)稱(chēng)銑出5%斜面可大大改善調(diào)節(jié)閥流量特性的線(xiàn)性度，在此基礎(chǔ)上加裝環(huán)套可使閥門(mén)在全開(kāi)度范圍內(nèi)都具有良好的線(xiàn)性流量特性，將帶5%對(duì)稱(chēng)斜面的頂桿，在斜面終點(diǎn)銑出弧形凹槽可使閥門(mén)具有良好的等百分比流量特性。與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，基本可以確定計(jì)算結(jié)果的有效性。

調(diào)節(jié)閥；型線(xiàn)；CFD；流量特性

泄放水系統(tǒng)是核動(dòng)力裝置二回路系統(tǒng)的重要組成部分，其功能是接受蒸汽發(fā)生器排污水，對(duì)蒸汽發(fā)生器工質(zhì)進(jìn)行凈化回收［1］。泄放水系統(tǒng)首先將高溫高壓的排污水減壓，然后將其排入泄放水蒸發(fā)器，在此過(guò)程中需要根據(jù)泄放水蒸發(fā)器的排污能力控制進(jìn)入蒸發(fā)器排污水的流量，這一功能是靠泄放水調(diào)節(jié)閥來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

針對(duì)以往泄放水調(diào)節(jié)閥響應(yīng)慢、精度低、穩(wěn)定性差、故障率高、彈簧整定困難等缺點(diǎn)，哈爾濱工程大學(xué)設(shè)計(jì)了一種新型泄放水調(diào)節(jié)閥。它利用了伺服液壓原理借助流體壓差來(lái)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力。孫小波［2］、鄭紅麗［3］等人利用ANSYS軟件對(duì)該閥進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)模擬，并計(jì)算了閥體強(qiáng)度；于明銳［4］對(duì)該閥進(jìn)行了試驗(yàn)研究，考察了該閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性與動(dòng)作可靠性。但對(duì)于調(diào)節(jié)閥流量特性的優(yōu)化與改進(jìn)研究不多，因此，本文對(duì)頂桿型線(xiàn)對(duì)調(diào)節(jié)閥流量特性的影響進(jìn)行了分析，利用CFD軟件Fluent對(duì)裝有不同型線(xiàn)頂桿的調(diào)節(jié)閥進(jìn)行了數(shù)值模擬，最后與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)照。

1 幾何模型

由于我們只關(guān)心調(diào)節(jié)閥的流量特性，所以在建模時(shí)可忽略除進(jìn)出口流道及節(jié)流口以外的部分（圖1）。在Pro/E中建立流道模型時(shí)，由于流道比較復(fù)雜，為了方便劃分網(wǎng)格，忽略了一些被認(rèn)為對(duì)流量特性影響不大的倒角、圓角和一些細(xì)小的面。

圖1 流道模型Fig.1 Channel model

共建立了12種不同線(xiàn)型的頂桿（圖2）。模型1是圓柱形頂桿。模型2在側(cè)面對(duì)稱(chēng)銑出4°斜面。模型3在側(cè)面對(duì)稱(chēng)銑出5°斜面。模型4在3的基礎(chǔ)上將斜面起點(diǎn)上移3mm。模型5在4的基礎(chǔ)上加了間隙0.5mm高4mm的環(huán)形套。模型6是在2的基礎(chǔ)上加了間隙0.5mm高4mm的環(huán)形套。模型7在5的基礎(chǔ)上將間隙改為0.1mm。模型8在7的基礎(chǔ)上在套上做了2×1mm倒角。模型9將倒角改為1×1mm。模型10將倒角下加了1mm。模型11在10的基礎(chǔ)上在上部加了曲率2mm的圓倒角。模型12在9的基礎(chǔ)上將斜面起點(diǎn)上移10mm并加了曲率5.3mm。

圖2 模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2 Model structure diagram

2 網(wǎng)格劃分

根據(jù)計(jì)算區(qū)域的特點(diǎn)，在Gambit進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)采用混合網(wǎng)格來(lái)適應(yīng)復(fù)雜流道。

為保證計(jì)算精度，聯(lián)系本研究的具體要求，對(duì)頂桿及其周?chē)牧鲌?chǎng)重點(diǎn)加密，其他部分如閥頭、環(huán)套局部加密，而對(duì)于進(jìn)出口流道和頂桿上部，流道形狀規(guī)則，可以不加密，以避免增加不必要的計(jì)算量。經(jīng)過(guò)多次嘗試，根據(jù)計(jì)算結(jié)果不斷調(diào)整參數(shù)，選定了比較滿(mǎn)意的參數(shù)設(shè)置。

最終劃分的網(wǎng)格數(shù)在100萬(wàn)左右，一半的網(wǎng)格扭曲率都控制在0.5以下，幾乎全部的網(wǎng)格扭曲率都控制在0.8以下，可以滿(mǎn)足計(jì)算精度的要求。

3 數(shù)值計(jì)算

網(wǎng)格劃分完成后，使用Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

3.1 計(jì)算模型的選擇

因?yàn)樵诒疚闹校黧w可以認(rèn)為是不可壓流體，因此采用壓力基求解器，選SIMPLE算法。

3.2 湍流模型的選擇

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，選擇RNG雙方程模型，壁面函數(shù)選擇標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。

3.3 邊界條件及物性參數(shù)的選擇

邊界條件包括流動(dòng)變量和熱變量在邊界處的值，是CFD問(wèn)題的關(guān)鍵。

表1 邊界條件Tab.1 Boundary conditions

根據(jù)所給資料，可以確定的參數(shù)包括入口壓力、出口壓力等等。因此，采用壓力入口、壓力出口的邊界條件，壁面條件保持默認(rèn)。具體的設(shè)定參數(shù)如表1所示。

由于計(jì)算涉及熱態(tài)，因此其溫度分別有兩個(gè)設(shè)置。冷態(tài)在300K下設(shè)置，熱態(tài)在495K下設(shè)置，即2.4MPa下的飽和溫度。水的物性參數(shù)如表2所示：

表2 水的物性參數(shù)Tab.2 Physical property parameter of water

設(shè)置收斂判據(jù)，其中能量的收斂判據(jù)設(shè)為10-6，其他設(shè)為10-3。由于本文關(guān)心的主要內(nèi)容是流量特性，因此再增加一個(gè)監(jiān)視器監(jiān)視入口流量，如果顯示出入口流量不再變化，則可認(rèn)為計(jì)算結(jié)果已收斂而終止計(jì)算。設(shè)置迭代的次數(shù)為2 000次。在實(shí)際計(jì)算過(guò)程中，一般來(lái)說(shuō)迭代的次數(shù)在1 000次以?xún)?nèi)就可結(jié)束。

4 結(jié)果分析

對(duì)不同頂桿型線(xiàn)下的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，從而選出具有良好的線(xiàn)性和等百分比流量特性的頂桿型線(xiàn)。

4.1 頂桿型線(xiàn)的選擇

4.1.1 圓柱形頂桿

圓柱體頂桿對(duì)應(yīng)的流量特性曲線(xiàn)如圖3所示：

圖3 圓柱頂桿的流量特性曲線(xiàn)Fig.3 Flow characteristics curve of cylinder mandrill

觀察圖像可以發(fā)現(xiàn)，兩種狀態(tài)下調(diào)節(jié)閥的流量特性曲線(xiàn)線(xiàn)性度都不太好，因此可以說(shuō)對(duì)于圓柱頂桿，在全開(kāi)度范圍內(nèi)調(diào)節(jié)閥都不具有良好的線(xiàn)性特性。

4.1.2 4°傾角斜面的頂桿

根據(jù)以往的工程實(shí)踐，把頂桿銑出對(duì)稱(chēng)的斜面有助于改善流量特性的線(xiàn)性度。斜面與頂桿中線(xiàn)的夾角一般為4°～5°。根據(jù)對(duì)速度云圖和壓力云圖的分析，斜面可以顯著減小頂桿處流體的壓強(qiáng)梯度和速度梯度，因此對(duì)流量特性的改進(jìn)有一定的作用。

4°斜面計(jì)算得到的流量曲線(xiàn)如圖4所示：

圖4 4°傾角頂桿的流量特性曲線(xiàn)Fig.4 Flow characteristics curve of 4°inclination mandrill

可以得出如下結(jié)論:其一，斜面的存在使得流量特性曲線(xiàn)在回歸直線(xiàn)兩側(cè)的波動(dòng)有所緩解，流量特性曲線(xiàn)的線(xiàn)性度有所改善，如果只考慮10%開(kāi)度～90%開(kāi)度這一區(qū)間內(nèi)的流量曲線(xiàn)的話(huà)，可以發(fā)現(xiàn)斜面的存在使得流量特性曲線(xiàn)在這一開(kāi)度區(qū)間內(nèi)比較符合線(xiàn)性；其二，但是在小開(kāi)度（10%開(kāi)度以下）和大開(kāi)度（90%開(kāi)度以上）時(shí)，流量的值偏離回歸直線(xiàn)的程度比較大。

4.1.3 5°傾角斜面的頂桿

由于上面的頂桿型線(xiàn)對(duì)于小開(kāi)度（小于10%）和大開(kāi)度下（大于90%）情況時(shí)流量特性比不令人滿(mǎn)意，考慮到工程實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)將斜面與頂桿中線(xiàn)的角度更改為5°，其他部分不作更改。

由伯努利方程可知，在相同的壓降下，對(duì)于同一種工質(zhì)，調(diào)節(jié)閥的流量大小與最小截面的面積成正比。傾角的增大，使得流道最大截面變大。針對(duì)4°傾角頂桿的問(wèn)題，這樣的改動(dòng)可以增大在大開(kāi)度時(shí)的流量，對(duì)于大開(kāi)度下頂桿流量特性的改進(jìn)有一定幫助，較大開(kāi)度時(shí)流量的增大，對(duì)于小開(kāi)度下流量偏大的問(wèn)題也有一定幫助。流量特性曲線(xiàn)如圖5：

圖5 5°傾角頂桿的流量特性曲線(xiàn)Fig.5 Flow characteristics curve of 5°inclination mandrill

觀察圖5可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于5°傾角的頂桿型線(xiàn)來(lái)說(shuō)，其線(xiàn)性度已經(jīng)較好，達(dá)到了R2=0.9879的水平。尤其在較大開(kāi)度（從60%～100%）基本上達(dá)到了直線(xiàn)特性的要求。但小開(kāi)度下偏離線(xiàn)性特性的問(wèn)題依然存在，通過(guò)與圖4對(duì)比，其偏離程度有所減小，但差別并不大。綜合考量下，可以認(rèn)為5°傾角的頂桿線(xiàn)性度雖然好于4°傾角的頂桿，但仍可進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)。

4.1.4 對(duì)5°角斜面的頂桿的改進(jìn)

通過(guò)對(duì)上面兩種頂桿型線(xiàn)的分析，我們發(fā)現(xiàn)，兩種型線(xiàn)流量特性偏離線(xiàn)性的主要原因之一都是小開(kāi)度下流量過(guò)大。鑒于流量與流道截面積成正比，改進(jìn)的方案是減小在小開(kāi)度下的流道截面積，或者增大大開(kāi)度下的流道截面積?？紤]到頂桿加工的工程實(shí)踐，而且截面積需要有一個(gè)相對(duì)平緩的過(guò)渡過(guò)程，以避免流道及面積的突然變化導(dǎo)致流量的突變影響線(xiàn)性度，決定將頂桿的形狀做如下改動(dòng)：其他不變，但是將斜面的起始點(diǎn)向上移動(dòng)3mm，以達(dá)到減小小開(kāi)度下流道截面積的目的。流量特性曲線(xiàn)如圖6。

圖6 起點(diǎn)上移后的流量特性曲線(xiàn)Fig.6 Flow characteristics curve after starting point moving up

在進(jìn)行改進(jìn)以后，在30%開(kāi)度以上的區(qū)間內(nèi)，流量特性曲線(xiàn)幾乎就是一條直線(xiàn)。但是在10%小開(kāi)度下的流量數(shù)值線(xiàn)性度依然不好。通過(guò)對(duì)這一組數(shù)據(jù)的分析，可以看出單純的改變小開(kāi)度下的流量并不能很好的改變其流量特性。

4.2 加套頂桿

通過(guò)上面的計(jì)算和分析，我們假設(shè)在總體上減小各個(gè)開(kāi)度下的流量值，從而提高流量特性曲線(xiàn)線(xiàn)性度是可行的。減小流量的方法是減小流道截面積，有兩個(gè)可行的方案，一是在頂桿周?chē)犹?，二是增大頂桿直徑?？紤]工程實(shí)際，決定采用第一個(gè)方案。

套不加倒角，套與5°頂桿下部直徑最大處的間隙為0.5mm，此時(shí)得到的流量數(shù)據(jù)線(xiàn)性度很差。于是將頂桿斜面改為4°，重新計(jì)算得到的流量特性曲線(xiàn)如圖7所示：

圖7 4°傾角加套的流量特性曲線(xiàn)Fig.7 Flow characteristics curve of jacketed 4°inclination

可以看出這種情況下的線(xiàn)性度依然很不理想。由此得出結(jié)論，不論頂桿形狀如何，這種套與頂桿最小間隙為0.5mm的情形都不符合線(xiàn)性度良好的要求。因此對(duì)頂桿周?chē)奶走M(jìn)行改進(jìn)，將其與頂桿直徑最大處的間隙調(diào)整為0.1mm，取斜面與頂桿中線(xiàn)的角度為5°，斜面起始點(diǎn)與頂桿底部相距3mm。流量特性曲線(xiàn)如圖8所示：

圖8 間隙為0.1mm時(shí)的流量特性曲線(xiàn)Fig.8 Flow characteristics curve when the interstice is 0.1mm

可以發(fā)現(xiàn)，套與頂桿之間的間隙變小對(duì)于減小各個(gè)開(kāi)度下的流量值有著極其顯著的作用。但是，在10%開(kāi)度時(shí)的流量還是明顯偏大，導(dǎo)致在低開(kāi)度下的流量特性仍不符合線(xiàn)性度的需要。而在30%開(kāi)度以上，流量特性曲線(xiàn)與線(xiàn)性趨勢(shì)線(xiàn)幾乎是重合的，符合要求。

針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，我們做出如下嘗試:將間隙為0.1mm套的下部加一個(gè)尺寸為高度2mm，寬度1mm的倒角。這樣的改動(dòng)有助于將最小截面積的位置向大開(kāi)度的位置移動(dòng)，對(duì)于大開(kāi)度下的流量增大有一定幫助，從而改善閥門(mén)的流量特性。得到的流量特性曲線(xiàn)如圖9所示：

圖9 倒角高度為2mm時(shí)的流量特性曲線(xiàn)Fig.9 Flow characteristics curve when chamfer height is 2mm

可以看出在小開(kāi)度下的流量值依然偏離線(xiàn)性的要求比較大。我們做出如下嘗試:保持其他的尺寸不變，將套的倒角的尺寸更改為1mm×1mm，將這個(gè)形狀下的流量特性曲線(xiàn)與圖3.17所示的流量特性曲線(xiàn)相對(duì)比，得到圖10：

圖10 兩種倒角流量特性的對(duì)比Fig.1 0 Comparison of two chamfer flow characteristics

可以看到，雖然小尺寸倒角的套所對(duì)應(yīng)的流量特性曲線(xiàn)線(xiàn)性度稍有改善，但是都沒(méi)有能夠完美的解決小開(kāi)度下流量偏大的問(wèn)題，還需要進(jìn)一步的改進(jìn)。

把上面所述1mm×1mm的倒角下部加一部分套，間隙不變。這樣可以減小小開(kāi)度時(shí)的流道截面積，改善流量特性的線(xiàn)性度。流量特性曲線(xiàn)如圖11:

圖11 最終型線(xiàn)下的流量特性曲線(xiàn)Fig.1 1 Flow characteristics curve of the final lines

我們可以看出，雖然與標(biāo)準(zhǔn)的線(xiàn)性流量特性曲線(xiàn)有一定差距，但是R2=0.9842，與標(biāo)準(zhǔn)的線(xiàn)性曲線(xiàn)相差已經(jīng)不大，至此，可以認(rèn)為該調(diào)節(jié)閥的流量特性已經(jīng)滿(mǎn)足線(xiàn)性的要求。

4.3 等百分比流量特性的頂桿型線(xiàn)

在實(shí)際運(yùn)用中，等百分比流量特性單位行程變化引起單位流量變化的百分率是相等的，小開(kāi)度小流量下放大倍數(shù)小，大開(kāi)度下放大倍數(shù)大，使得整個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程比較平穩(wěn)，工作更為靈敏有效。在使用中常以等百分比特性代替拋物線(xiàn)特性。

考慮到該閥門(mén)在實(shí)際應(yīng)用中的需要，頂桿的形狀首先選取的是在圖3.11中形狀的基礎(chǔ)上，將斜面的上部加一個(gè)曲率半徑為2mm的倒圓角，其流量特性曲線(xiàn)如圖12：

圖12 加圓倒角的流量特性曲線(xiàn)Fig.1 2 Flow characteristics curve of chamfer combining a cylinder

圖13 改進(jìn)后的流量特性曲線(xiàn)Fig.1 3 Flow characteristics curve after improvement

顯然，這種流量特性曲線(xiàn)與等百分比流量特性曲線(xiàn)相去甚遠(yuǎn)，與線(xiàn)性或者快開(kāi)特性更為相近。考慮到上面線(xiàn)性流量特性的研究歷程，相對(duì)于線(xiàn)性流量特性，等百分比流量特性提出的要求是小開(kāi)度下的流量變化率變小，大開(kāi)度下的流量變化率增大。由此提出猜想，如果在頂桿下部加一個(gè)較長(zhǎng)的圓柱形段，同時(shí)加套，應(yīng)該對(duì)流量特性的改善有所幫助。改進(jìn)后的流量特性曲線(xiàn)如圖13:

可知流量特性曲線(xiàn)達(dá)到了等百分比流量特性，且達(dá)到了R2=0.9991的高水平。其偏離標(biāo)準(zhǔn)等百分比流量曲線(xiàn)的原因是整體上流量值偏大?？紤]到具體的工程實(shí)踐，此處套與頂桿的最小間隙已經(jīng)是0.1mm的水平，進(jìn)一步降低總體流量十分困難，而且已經(jīng)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，可以認(rèn)為達(dá)到了設(shè)計(jì)初衷。

5 結(jié)論

本文采用CFD方法，計(jì)算了不同頂桿型線(xiàn)對(duì)泄放水調(diào)節(jié)閥流量特性的影響，得出以下結(jié)論：

A.型線(xiàn)采用方案10可以保證調(diào)節(jié)閥具有良好的線(xiàn)性流量特性。

B.型線(xiàn)采用方案12可以保證調(diào)節(jié)閥具有良好的等百分比流量特性。

C.模擬值與試驗(yàn)值有一定的誤差，但當(dāng)模擬值出現(xiàn)較好的線(xiàn)性時(shí)，試驗(yàn)值也得到了較好的線(xiàn)性，證明了模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)實(shí)際的設(shè)計(jì)工作有一定幫助。

［1］ 劉春林，韓燦峰，姚文東，等.泄放水系統(tǒng)管路三通失效原因分析及對(duì)策［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2009，31（12）:46-49.

［2］孫小波.泄放水調(diào)控系統(tǒng)研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)，2012.

［3］ 鄭紅麗.泄放水蒸發(fā)器水位調(diào)控系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥的研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)，2013.

［4］ 于明銳，周杰，韓偉實(shí).新型泄放水調(diào)節(jié)閥工作特性試驗(yàn)研究［J］.中國(guó)造船，2015，（1）:189-195.

Study on the influence of shape of control valve on flow characteristics

JI Fan-xiang，YANG Meng-ke，ZHOU Jie
（Fundamental Science on Nuclear Safetyand Simulation Technology Laboratory，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China）

Vent drain valve flow characteristics related to the evaporator drain drainage is working properly.In order to study the jack type of vent line drainage regulating valve flow characteristics，the use of CFD methods with different flow characteristics jack type line regulating valve was simulated，and the results were verified by experiments.The results showed that the cylinder ram side milled 5%symmetrical ramp can greatly improve the linearity of the valve flow characteristics；on this basis，the installation of the valve within the collar can have a full range of good linear flow characteristics；will take 5%symmetric slant ram at the end of ramp milled arcuate recess can have good equal percentage valve flow characteristics.Comparison with experimental results，which can be calculated to determine the validity of the results.

Control valve；Shaped line；CFD；Flowcharacteristics

TL353.11

A

1674-8646（2016）16-0004-05

2016-06-21