譚術(shù)洋 周 寧 譚 鑫 李 毅 關(guān) 莉

（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院）

旁通閥是提升反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)自然循環(huán)能力的重要設(shè)備，其關(guān)鍵部件為周向均布的6組活動(dòng)閥瓣，閥瓣?duì)顟B(tài)完全取決于內(nèi)部流場(chǎng)。為確保反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定運(yùn)行，需掌握自然來(lái)流和泵啟動(dòng)來(lái)流條件下旁通閥的動(dòng)態(tài)特性。 按以往工程經(jīng)驗(yàn)， 該類閥門易發(fā)生因關(guān)閉水錘導(dǎo)致閥門無(wú)法關(guān)閉、開(kāi)啟后閥位震顫等問(wèn)題，這是因?yàn)殚y門設(shè)計(jì)時(shí)僅針對(duì)閥門本身開(kāi)展了定常模擬計(jì)算［1］，該計(jì)算結(jié)果并不能反映泵閥耦合瞬變流場(chǎng)對(duì)閥門動(dòng)態(tài)特性的影響。 為此，筆者以旁通閥為研究對(duì)象，采用CFD數(shù)值分析方法， 結(jié)合UFD和動(dòng)網(wǎng)格分析技術(shù)， 開(kāi)展泵閥耦合瞬變流場(chǎng)下閥瓣動(dòng)態(tài)仿真分析研究， 以獲得旁通閥在不同工況瞬變流場(chǎng)下的動(dòng)態(tài)特性、 驗(yàn)證旁通閥的性能并提出優(yōu)化改進(jìn)措施。

1 旁通閥簡(jiǎn)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(yùn)行時(shí)，旁通閥關(guān)閉， 以防止反應(yīng)堆冷卻劑從雙層套管中腔回流到環(huán)腔，自然來(lái)流工況下，由密度差驅(qū)動(dòng)形成的反應(yīng)堆冷卻劑流經(jīng)雙層套管環(huán)腔時(shí)， 在流動(dòng)介質(zhì)的作用下旁通閥開(kāi)啟， 大部分介質(zhì)通過(guò)旁通閥旁流至雙層套管內(nèi)腔， 從而減小反應(yīng)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(yáng)程 3 m（H2O）

額定流量 400 m3/h

葉片數(shù)量 4

泵啟動(dòng)時(shí)間 0.68 s

旁通閥主要參數(shù)為：

全開(kāi)角度 35°

自然開(kāi)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(kāi)力矩 0.120 N·m

閥瓣全關(guān)力矩 0.089 N·m

2 動(dòng)態(tài)數(shù)值模型

2.1 瞬變流場(chǎng)與閥瓣運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)耦合

通過(guò)自定義函數(shù)控制泵啟動(dòng)過(guò)程中泵轉(zhuǎn)子區(qū)域的運(yùn)動(dòng)和閥瓣的運(yùn)動(dòng)，由動(dòng)網(wǎng)格實(shí)現(xiàn)閥瓣計(jì)算域網(wǎng)格的動(dòng)態(tài)模擬，依據(jù)泵閥內(nèi)部流場(chǎng)的動(dòng)態(tài)模擬得到閥瓣的受力狀態(tài)， 獲得閥瓣運(yùn)動(dòng)規(guī)律（圖2）。 同時(shí)， 閥瓣的運(yùn)動(dòng)也會(huì)影響泵閥內(nèi)部流場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)泵閥內(nèi)部流場(chǎng)與閥瓣運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)耦合［2］。

圖2 動(dòng)態(tài)耦合過(guò)程示意圖

2.2 旁通閥計(jì)算模型

2.2.1 控制方程選取

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

b. 當(dāng)φ=u時(shí)，式（1）即為x方向動(dòng)量守恒方程，Sφ即為x方向動(dòng)量源項(xiàng)；

c. 當(dāng)φ=v時(shí)，式（1）即為y方向動(dòng)量守恒方程，Sφ即為y方向動(dòng)量源項(xiàng)；

d. 當(dāng)φ=w時(shí)，式（1）即為z方向動(dòng)量守恒方程，Sφ即為z方向動(dòng)量源項(xiàng)。

2.2.2 網(wǎng)格劃分

旁通閥閥瓣為固體模型，采用動(dòng)網(wǎng)格；其余部分為流體模型，采用靜網(wǎng)格。 多個(gè)網(wǎng)格區(qū)域通過(guò)交界面實(shí)現(xiàn)拼接， 以形成整體模型計(jì)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(gè)閥瓣在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)網(wǎng)格重構(gòu)造成干擾，將每個(gè)閥瓣單獨(dú)劃分為一個(gè)區(qū)域， 區(qū)域之間通過(guò)網(wǎng)格拼接實(shí)現(xiàn)物理量傳遞，以保證動(dòng)網(wǎng)格重構(gòu)穩(wěn)定性［4，5］。

2.2.3 模型設(shè)置

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

為獲得旁通閥在不同工況瞬變流場(chǎng)下的動(dòng)態(tài)特性，利用UDF編程定義閥瓣運(yùn)動(dòng)，模擬閥瓣實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況；定義轉(zhuǎn)子區(qū)域轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化的函數(shù)，模擬泵轉(zhuǎn)動(dòng)啟動(dòng)過(guò)程；設(shè)定閥瓣到達(dá)限位位置動(dòng)量損失20%， 模擬閥瓣機(jī)械限位因彈性碰撞產(chǎn)生的能量損失。

3 計(jì)算結(jié)果與討論

3.1 工況選擇

為獲得旁通閥閥瓣在開(kāi)啟和關(guān)閉狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，掌握瞬變流場(chǎng)條件下流體對(duì)閥瓣的作用力矩， 驗(yàn)證旁通閥周向6組閥瓣的開(kāi)啟/關(guān)閉穩(wěn)定性， 在自然來(lái)流工況和泵啟動(dòng)來(lái)流工況下，分別對(duì)泵閥耦合開(kāi)展動(dòng)態(tài)仿真分析。

3.1.1 自然來(lái)流工況

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

3.1.2 泵啟動(dòng)來(lái)流工況

泵由停運(yùn)狀態(tài)啟動(dòng)時(shí)， 旁通閥周向6組閥瓣在泵揚(yáng)程作用下由自然狀態(tài)（開(kāi)啟狀態(tài)）關(guān)閉。 由于旁通閥距離泵出口較近，且泵出口流場(chǎng)復(fù)雜的瞬變旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)，因此旁通閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上應(yīng)保證在泵啟動(dòng)過(guò)程中能夠關(guān)閉到位（不會(huì)產(chǎn)生由于水錘導(dǎo)致無(wú)法關(guān)閉到位的現(xiàn)象），且在泵運(yùn)行過(guò)程中，能夠穩(wěn)定保持全關(guān)狀態(tài)。

3.2 自然來(lái)流工況下的動(dòng)態(tài)特性

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

圖4 自然來(lái)流工況閥瓣開(kāi)啟角度隨時(shí)間的變化曲線

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

圖5 自然來(lái)流工況閥瓣所受總力矩隨時(shí)間的變化曲線

3.3 泵啟動(dòng)來(lái)流工況下的動(dòng)態(tài)特性

為獲取旁通閥閥瓣在泵啟動(dòng)過(guò)程中和泵穩(wěn)定運(yùn)行過(guò)程中的動(dòng)作特性，計(jì)算總時(shí)間定為3.50 s。 閥瓣開(kāi)啟角度、閥瓣所受總力矩和泵揚(yáng)程隨時(shí)間的變化曲線如圖6～8所示。 由圖6～8可見(jiàn)：閥瓣在泵啟動(dòng)后約0.40 s實(shí)現(xiàn)完全關(guān)閉， 此時(shí)泵尚未達(dá)到額定轉(zhuǎn)速（0.68 s達(dá)到額定轉(zhuǎn)速）；在泵啟動(dòng)過(guò)程中，泵揚(yáng)程隨轉(zhuǎn)速升高不斷增大，在達(dá)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(shí)間的變化趨勢(shì)與泵揚(yáng)程一致，這一結(jié)果表明旁通閥閥瓣所受力矩主要受泵揚(yáng)程制約；旁通閥閥瓣完全關(guān)閉后、泵保持穩(wěn)定運(yùn)行過(guò)程中（t＞3.20 s）所受力矩約為6.7 N·m， 遠(yuǎn)大于閥瓣保持關(guān)閉需克服的重力矩（0.089 N·m），且閥瓣所受總力矩隨時(shí)間的變化波動(dòng)范圍小， 說(shuō)明在泵保持額定運(yùn)行過(guò)程中，泵出口旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)對(duì)處于關(guān)閉狀態(tài)的閥瓣無(wú)影響。

圖6 泵啟動(dòng)來(lái)流、閥門關(guān)閉工況時(shí)閥瓣開(kāi)啟角度隨時(shí)間的變化曲線

3.4 閥瓣運(yùn)動(dòng)不同步影響分析

圖7 閥瓣所受總力矩隨時(shí)間的變化曲線

圖8 泵揚(yáng)程隨時(shí)間的變化曲線

由于機(jī)加工誤差、實(shí)際裝配關(guān)系存在一定偏差等因素， 旁通閥周向6組閥瓣在啟閉過(guò)程中所受摩擦力矩不完全一致，同一時(shí)刻的開(kāi)啟/關(guān)閉角度會(huì)存在一定相位差。 由于在模擬計(jì)算中未考閥瓣的摩擦力矩，因此為了模擬周向閥瓣啟閉過(guò)程中開(kāi)啟/關(guān)閉角度同步性差異對(duì)其開(kāi)啟/關(guān)閉性能的影響，將其中3組閥瓣初始角度設(shè)置為22°，其余為15°保持不變進(jìn)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(dá)到完全開(kāi)啟/關(guān)閉位置（圖9、10），這說(shuō)明即使旁通閥的周向閥瓣在開(kāi)啟/關(guān)閉過(guò)程中開(kāi)啟角度同步性存在差異，也不影響旁通閥實(shí)現(xiàn)完全開(kāi)啟/關(guān)閉且能穩(wěn)定保持在完全開(kāi)啟或者完全關(guān)閉的狀態(tài)。

圖9 閥瓣開(kāi)啟角度隨時(shí)間的變化曲線

4 旁通閥選材優(yōu)化

圖10 閥門關(guān)閉時(shí)閥瓣開(kāi)啟角度隨時(shí)間的變化曲線

為解決旁通閥未能夠?qū)崿F(xiàn)完全開(kāi)啟的問(wèn)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(gè)閥瓣質(zhì)量由0.69 kg降至0.39 kg（完全開(kāi)啟所克服重力矩由0.120 N·m降低至0.066 N·m，完全關(guān)閉需克服重力矩由0.089 N·m降低至0.050 N·m）。 重新計(jì)算的結(jié)果表明，旁通閥閥瓣在經(jīng)過(guò)數(shù)次全開(kāi)回彈后，6組閥瓣最終均可實(shí)現(xiàn)完全開(kāi)啟（圖11），這一結(jié)果證明閥瓣材料輕量?jī)?yōu)化有效；閥瓣所受流體作用力矩在閥瓣完全開(kāi)啟后隨時(shí)間變化存在脈動(dòng)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(kāi)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(zhǎng)大、脫落和再生成的循環(huán)過(guò)程中流體對(duì)閥瓣產(chǎn)生脈動(dòng)作用力矩。

圖11 自然來(lái)流工況閥瓣（鈦合金）開(kāi)啟角度隨時(shí)間的變化曲線

圖12 自然來(lái)流工況閥瓣（鈦合金）總力矩隨時(shí)間的變化曲線

圖13 自然來(lái)流工況不同時(shí)刻泵閥內(nèi)部流場(chǎng)

5 結(jié)論

5.1 在自然來(lái)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(kāi)啟，而且內(nèi)部瞬變流場(chǎng)對(duì)閥瓣的作用力矩在渦流作用下隨時(shí)間有一定脈動(dòng)， 在開(kāi)啟過(guò)程中周向6組閥瓣相互間無(wú)明顯耦合現(xiàn)象。

5.2 在泵啟動(dòng)來(lái)流條件下， 旁通閥周向6組閥瓣能夠順利實(shí)現(xiàn)完全關(guān)閉， 在泵連續(xù)運(yùn)行過(guò)程中，在泵出口呈時(shí)間脈動(dòng)的瞬變流場(chǎng)作用下閥瓣能夠可靠保持在關(guān)閉狀態(tài)。

5.3 旁通閥閥瓣開(kāi)啟/關(guān)閉角度的同步性差異不影響旁通閥啟閉性能。