趙占奎　李福春　李加剛　余峰　黃仁忠　唐坤林　張義科　趙登山　蘇志偉　胡俊

摘 要：本文以反應(yīng)堆的冷卻水系統(tǒng)為載體，利用實(shí)驗(yàn)和Fluent數(shù)值模擬方法，對(duì)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)閥門開啟時(shí)間與開閥速度對(duì)其上游與下游裝置的振動(dòng)特性和內(nèi)部流動(dòng)特性的影響進(jìn)行了研究。研究表明：充滿水狀態(tài)下啟泵使出口壓力穩(wěn)定達(dá)到0.25MP所用時(shí)間為2s，未充滿水狀態(tài)下啟泵使出口壓力穩(wěn)定達(dá)到0.25MP所用時(shí)間為7s；在閥門開啟過(guò)程中，泵的振動(dòng)瞬態(tài)變化規(guī)律和出口壓力的瞬態(tài)變化規(guī)律具有一致性，閥門以慢速（8s）開啟對(duì)泵運(yùn)行的穩(wěn)定性具有積極作用；以慢速（8s）開閥對(duì)閥門下游管道內(nèi)部的流體特性產(chǎn)生很小影響。

關(guān)鍵詞：閥門開速 振動(dòng)特性 流動(dòng)特性 Fluent

中圖分類號(hào)：TH138 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2019）04（a）-0071-07

反應(yīng)堆的很多系統(tǒng)是由管道、泵、閥門、電機(jī)與介質(zhì)等相關(guān)組成。閥門是反應(yīng)堆系統(tǒng)中重要的部件，其覆蓋反應(yīng)堆的絕大部分系統(tǒng)。閥門是系統(tǒng)管道流動(dòng)中的重要控制元件，通過(guò)閥門可以改變介質(zhì)在管路中的流動(dòng)方向、流體壓力、流體速度等流體參數(shù)[1-3]。由于閥門開度的瞬態(tài)變化，在閥門啟閉過(guò)程中極易在其上下游產(chǎn)生流量快速變化、壓力快速變化、漩渦、二次流、空化等復(fù)雜流動(dòng)狀態(tài)，這些流體參數(shù)和流動(dòng)狀態(tài)的產(chǎn)生與發(fā)展會(huì)最終導(dǎo)致系統(tǒng)中閥芯、泵、管道、電機(jī)和其它裝置的運(yùn)行故障[4-7]。因此本文對(duì)系統(tǒng)啟泵和啟泵后閥門開啟瞬態(tài)過(guò)程開展研究具有重要意義。

本文以反應(yīng)堆的冷卻水系統(tǒng)為載體，利用實(shí)驗(yàn)和Fluent數(shù)值模擬方法，對(duì)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)閥門開啟時(shí)間與開閥速度對(duì)其上游與下游裝置的振動(dòng)特性和內(nèi)部流動(dòng)特性的影響進(jìn)行了研究，為制定該系統(tǒng)調(diào)試和維修保養(yǎng)過(guò)程中閥門操作方法提供重要依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與研究?jī)?nèi)容和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本次實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖如圖1所示，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中流體介質(zhì)為水，泵為單級(jí)長(zhǎng)軸立式離心泵，泵的啟動(dòng)振動(dòng)數(shù)值應(yīng)小于1.00mm/s。在整個(gè)系統(tǒng)中，介質(zhì)在泵的作用下，通過(guò)管路、調(diào)節(jié)閥和閥門。實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖1所示。

1.2 研究?jī)?nèi)容和方法

分別在水泵內(nèi)充滿水和未充水的狀態(tài)下啟動(dòng)泵，采集系統(tǒng)啟動(dòng)瞬態(tài)運(yùn)行的壓力表參數(shù)。在水泵內(nèi)未充水的狀態(tài)下，閉閥啟動(dòng)泵，待壓力穩(wěn)定后將閥門以慢速（8s）、中速（6s）和快速（4s）的方式開啟，采集閥門的在開啟過(guò)程中系統(tǒng)瞬態(tài)運(yùn)行時(shí)的壓力表參數(shù)和泵振動(dòng)參數(shù)。

1.3 泵的啟動(dòng)試驗(yàn)

在水泵內(nèi)未充滿水的狀態(tài)下，閉閥啟動(dòng)泵，啟動(dòng)過(guò)程的出口壓力變化如圖2所示。圖2為泵出口壓力隨啟動(dòng)時(shí)間的變化規(guī)律，在啟動(dòng)過(guò)程中的前2s壓力在0～0.01MP震蕩，雖然泵已啟動(dòng)，但泵仍有短暫失壓，啟動(dòng)2s之后出口壓力快速增大，直至啟動(dòng)7秒后達(dá)到最大壓力0.25MP。

在水泵內(nèi)充滿水的狀態(tài)下，啟動(dòng)泵，啟動(dòng)過(guò)程的出口壓力變化如圖3所示。圖3泵出口壓力隨啟動(dòng)時(shí)間的變化規(guī)律，在啟動(dòng)過(guò)程中的前0.5s出口壓力緩慢增加，啟動(dòng)0.5s之后出口壓力快速增大，直至啟動(dòng)2秒后穩(wěn)定達(dá)到最大壓力0.25MP。

從圖2和圖3的出口壓力隨泵的啟動(dòng)時(shí)間可以看出，充滿水狀態(tài)下啟泵使出口壓力穩(wěn)定達(dá)到0.25MP所用時(shí)間（2s）少于未充水狀態(tài)下啟泵的所用時(shí)間（7s）；充滿水狀態(tài)下啟泵前期出口壓力振蕩小于未充水狀態(tài)下啟泵的振蕩，在未充水狀態(tài)下啟泵的振蕩并且可能為泵的短時(shí)無(wú)流量輸出時(shí)間。

1.4 閥門開啟試驗(yàn)

對(duì)實(shí)驗(yàn)閥門進(jìn)行開啟時(shí)間分別為 快速（4s）、中速（6s）、慢速（8s）開啟過(guò)程的瞬態(tài)試驗(yàn)。給出了不同開啟速度工況下泵的振動(dòng)和出口壓力瞬態(tài)變化的情況。閥門開啟速度不同，泵的振動(dòng)和出口壓力瞬態(tài)變化的情況也不同。圖4、圖5、圖6分別表示閥門以快速、中速、慢速開啟時(shí)泵的振動(dòng)和出口壓力瞬態(tài)變化規(guī)律，圖中系列一為出口壓力（單位：MP）隨閥門開啟時(shí)間的變化規(guī)律，系列二為泵的振動(dòng)（單位：mm/s）隨閥門開啟時(shí)間的變化規(guī)律，閥門是從閉閥出口壓力0.25MP調(diào)節(jié)至開閥出口壓力0.20MP。

當(dāng)閥門快速開啟時(shí)，泵的振動(dòng)和出口壓力的瞬變規(guī)律如圖4所示。從圖4中曲線可以看出開閥3s內(nèi)出口壓力穩(wěn)定下降，出口壓力從0.25MP～0.22MP，開閥3～4s內(nèi)出口壓力在0.22～0.18MP震蕩，4～7s內(nèi)出口壓力在0.18～0.27MP內(nèi)劇烈震蕩，7s之后壓力出口從0.23MP平緩降至0.20MP；泵的振動(dòng)瞬態(tài)變化規(guī)律和出口壓力的瞬態(tài)變化規(guī)律具有一致性，開閥3s內(nèi)泵的振動(dòng)數(shù)值從0.20mm/s快速上升到1.00mm/s，開閥3～7s內(nèi)泵的振動(dòng)數(shù)值在在0.60mm/s至1.60mm/s震蕩，超出了泵的要求值（啟動(dòng)振動(dòng)數(shù)值應(yīng)小于1.0mm/s）；7s之后泵的振動(dòng)數(shù)值從0.60mm/s平緩降至0.40mm/s。

當(dāng)閥門中速開啟時(shí)，泵的振動(dòng)和出口壓力的瞬變規(guī)律如圖5所示。從圖5中曲線可以看出開閥4s內(nèi)出口壓力穩(wěn)定下降，出口壓力從0.25～0.21MP，開閥4～8s內(nèi)出口壓力在0.27～0.18MP震蕩，8s之后壓力出口平緩降至0.20MP；泵的振動(dòng)瞬態(tài)變化規(guī)律和出口壓力的瞬態(tài)變化規(guī)律具有一致性，開閥4s內(nèi)泵的振動(dòng)數(shù)值從0.20mm/s上升到0.50mm/s，開閥4～8s內(nèi)泵的振動(dòng)數(shù)值在在0.50mm/s至1.30mm/s震蕩，超出了泵的要求值，8s之后泵的振動(dòng)數(shù)值平緩降至0.40mm/s。

當(dāng)閥門慢速開啟時(shí)，泵的振動(dòng)和出口壓力的瞬變規(guī)律如圖6所示。從圖6中曲線可以看出開閥7s內(nèi)閥門壓力穩(wěn)定下降，出口壓力從0.25～0.21MP，開閥7～10s內(nèi)出口壓力在0.22～0.19MP震蕩，10s之后壓力出口從0.21MP平緩降至0.20MP；泵的振動(dòng)瞬態(tài)變化規(guī)律和出口壓力的瞬態(tài)變化規(guī)律具有一致性，開閥5s內(nèi)泵的振動(dòng)數(shù)值從0.20mm/s平緩上升到0.30mm/s，開閥5～8s內(nèi)泵的振動(dòng)數(shù)值快速上升至0.70mm/s，8s之后泵的振動(dòng)數(shù)值從0.70mm/s平緩降至0.40mm/s。

從圖4、圖5和圖6泵的振動(dòng)和出口壓力的瞬變規(guī)律可以看出，泵的振動(dòng)瞬態(tài)變化規(guī)律和出口壓力的瞬態(tài)變化規(guī)律具有一致性；開閥速度越快，泵的振動(dòng)瞬態(tài)變化和出口壓力的瞬態(tài)變化越劇烈。閥門開啟過(guò)程中流動(dòng)介質(zhì)突然發(fā)生變化導(dǎo)致壓力和振動(dòng)突變，形成壓力波沿管道傳播，進(jìn)而使系統(tǒng)受到瞬時(shí)高低壓的沖擊，瞬時(shí)高壓將會(huì)產(chǎn)生振蕩流動(dòng)，而瞬時(shí)低壓又有可能產(chǎn)生空穴，發(fā)生汽蝕。瞬變強(qiáng)度不大時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)會(huì)很快恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。但當(dāng)閥門以快速、中速開啟時(shí)泵的振動(dòng)超出了泵的要求值，如果系統(tǒng)運(yùn)行在超過(guò)危險(xiǎn)限制的條件下，加之調(diào)節(jié)不當(dāng)，系統(tǒng)將處于強(qiáng)瞬變狀態(tài)。強(qiáng)瞬變發(fā)生時(shí)，輕則影響設(shè)備的使用壽命，重則會(huì)使設(shè)備受到損壞，進(jìn)而造成運(yùn)行中斷，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)發(fā)生事故。總之閥門以慢速開啟對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性具有積極作用。

2 數(shù)值計(jì)算

基于實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)定邊界條件，在系統(tǒng)需求的閥門的開度下，利用Fluent軟件對(duì)閥門下游管路進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)工況下的數(shù)值模擬，分析了此開度對(duì)內(nèi)部流動(dòng)特性的影響。在進(jìn)行閥門不同開度下瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)過(guò)程數(shù)值計(jì)算時(shí)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)定邊界條件。數(shù)值計(jì)算過(guò)程如下，網(wǎng)格質(zhì)量大于0.9，湍流模型的選擇：RNG k-ε模型；計(jì)算域：閥門進(jìn)口前端 3D（D 為閥門公稱直徑）至閥后20D的流動(dòng)區(qū)域；邊界條件：穩(wěn)態(tài)采用壓力入口和壓力出口邊界條件；瞬態(tài)仿真采用壓力入口和壓力出口邊界條件，壓力入口條件如圖7，y=0.0055x+0.2541（x為閥門開啟時(shí)間，y為此時(shí)的壓力入口輸入量）。

2.1 穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果分析

本文對(duì)閥門下游管道進(jìn)行了流場(chǎng)分析，得到了相應(yīng)的流場(chǎng)特性。本文只呈現(xiàn)了流場(chǎng)速度分布和壓力分布，如圖8中a、b所示，蝶板邊緣與閥座密封圈之間的間隙很小，流體的速度增大、壓力降低，產(chǎn)生喉口效應(yīng)；喉口效應(yīng)導(dǎo)致蝶板邊緣的前后均產(chǎn)生強(qiáng)烈的渦流，導(dǎo)致蝶板附近以及軸頸處流動(dòng)紊亂、流速方向急劇變化如圖8中c所示。當(dāng)流體繞流過(guò)蝶板邊緣以后在閥門的下游形成渦流動(dòng)，到10倍管徑處，流體趨于平穩(wěn)如圖8中d所示。

2.2 瞬態(tài)計(jì)算結(jié)果分析

本文對(duì)閥門下游管道進(jìn)行了瞬態(tài)流場(chǎng)分析，圖3瞬態(tài)變化的速度分布，穩(wěn)態(tài)工況與閥開啟慢速開啟時(shí)壓力變化規(guī)律為壓力入口時(shí)的瞬態(tài)工況模擬流場(chǎng)進(jìn)行比較，從流場(chǎng)云圖可以看到，閥門下游形成的漩渦，在入口壓力的變化下，其狀態(tài)有所差異，尤其最初時(shí)所形成的漩渦；隨著壓力的降低可以發(fā)現(xiàn)速度云圖分布規(guī)律及分布趨勢(shì)基本相同，都在此時(shí)逐漸形成內(nèi)部低壓高速流動(dòng)區(qū)域，該區(qū)域的產(chǎn)生與宏觀特性上趨勢(shì)的拐點(diǎn)的產(chǎn)生基本一致，表現(xiàn)出了較強(qiáng)的一致性。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）充滿水狀態(tài)下啟泵使出口壓力穩(wěn)定達(dá)到0.25MP所用時(shí)間為2s，未充滿水狀態(tài)下啟泵使出口壓力穩(wěn)定達(dá)到0.25MP所用時(shí)間為7s；充滿水狀態(tài)下啟泵未充水狀態(tài)下啟泵的振蕩。

（2）在閥門開啟過(guò)程中，泵的振動(dòng)瞬態(tài)變化規(guī)律和出口壓力的瞬態(tài)變化規(guī)律具有一致性；開閥速度越快，泵的振動(dòng)瞬態(tài)變化和出口壓力的瞬態(tài)變化越劇烈，總之閥門以慢速（8s）開啟對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性具有積極作用。

（3）穩(wěn)態(tài)工況與閥門慢速開啟時(shí)壓力變化規(guī)律為壓力入口時(shí)的瞬態(tài)工況模擬流場(chǎng)在初期其流場(chǎng)有所差異，隨著壓力的降低可以發(fā)現(xiàn)速度云圖分布規(guī)律及分布趨勢(shì)基本相同，說(shuō)明了以慢速開閥對(duì)閥門下游管道內(nèi)部的流體特性沒(méi)有很大影響。

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