林仕杰，張 亮，崔滿滿，凌 飛，金志江，錢錦遠(yuǎn)

（1.浙江大學(xué) 能源工程學(xué)院，杭州 310012；2.上海核工程研究設(shè)計院有限公司，上海 200233；3.浙江三方控制閥股份有限公司，杭州 311400）

0 引言

三通閥作為一種重要的截流控制元件，具有控制流量通斷、分合流介質(zhì)、調(diào)節(jié)分路流量比例等多種用途［1-2］。三通閥有多種分類方式：根據(jù)作用效果，可分為合流式、分流式、換向式三通閥等；根據(jù)外部形狀，可分為125°Y 型、135°Y 型、90°T型、90°L 型三通閥等；根據(jù)閥芯形狀，可分為柱塞式、套筒式、旋轉(zhuǎn)球體式三通閥等［3-4］。

三通調(diào)節(jié)閥已廣泛應(yīng)用于冷卻系統(tǒng)、醫(yī)療設(shè)備、智能機(jī)器人等各個領(lǐng)域［5-9］。JOPPEN 等［10］提出了一種用于家庭使用的三通電動控制閥，能夠在建筑物內(nèi)輸送低壓蒸汽或熱/冷水，提高了工業(yè)級結(jié)構(gòu)中超大閥桿執(zhí)行機(jī)構(gòu)的整體可靠性。RAMY 等［11］提出了能滿足控制電力、加熱和冷卻功率的季節(jié)性需求的可調(diào)節(jié)三通閥，用于新型多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的有機(jī)朗肯循環(huán)（ORC）。JUNGWOO等［12］開發(fā)一種三通閥作為具有壓力驅(qū)動功能的反應(yīng)平臺，將流體流動功能與反應(yīng)室功能相結(jié)合，用于現(xiàn)場病原體檢測的試驗室集成微設(shè)備。HAYATO 等［13］研制的一種小型液壓流量三通控制閥，作為液壓驅(qū)動機(jī)器人中的核心組件，已被應(yīng)用于各個救災(zāi)現(xiàn)場。荀中正等［14］介紹了硫酸裝置中高溫?zé)煔馐褂玫娜ㄩy，對管路實施改造，延長了閥門的使用壽命。

為改進(jìn)三通閥的使用性能，國內(nèi)外眾多學(xué)者對三通閥做了大量研究。王渭等［15］為提高大流量三通閥的抗沖擊能力，基于FLURNT 流場分析軟件建立數(shù)值模擬模型，流動介質(zhì)選取為純水，在不同壓力和流量條件下給出了閥門內(nèi)部流場的云圖，驗證大流量三通閥在煤礦領(lǐng)域的實用可靠性。楊琦等［16］為提高某冷卻系統(tǒng)的功耗和效率，基于數(shù)值模擬，研究了在整個冷卻系統(tǒng)中處于關(guān)鍵部分的三通閥內(nèi)部的速度和壓力梯度，研究結(jié)果表明三通閥在使用過程中應(yīng)盡量避免處于接近全關(guān)或全開的閥位，從而保證系統(tǒng)的安全可靠性。周德海等［17］對活塞型自力式三通閥切換時的動力學(xué)特性進(jìn)行仿真研究，并建立活塞型自力式三通閥性能測試試驗臺對仿真結(jié)果進(jìn)行驗證。

當(dāng)前現(xiàn)有三通閥的相關(guān)流動特性研究仍較多地關(guān)注閥門閥位全開和全關(guān)的動態(tài)切換性能，而三通調(diào)節(jié)閥流量特性的研究成果仍然不夠豐富。本文以我國三代核電用合流型柱塞式三通調(diào)節(jié)閥為研究對象，其硼酸濃度調(diào)節(jié)子系統(tǒng)實際運(yùn)行過程中，存在調(diào)硼效果不理想、某些工況條件下硼偏差過大、閥門開度控制不在最佳控制區(qū)域、響應(yīng)時間長等問題，針對上述研究不足和實際問題，開展三通閥在不同閥位及不同工況下的流動特性研究，通過建立該合流型柱塞式三通調(diào)節(jié)閥流道數(shù)值模型，分別模擬在三通閥總流量較大和較小時，和兩路入口總壓力相等和不相等時的閥內(nèi)流動狀態(tài)，繪制流量特性曲線和壓力、速度云圖，從而探究三通調(diào)節(jié)閥在實際生產(chǎn)過程中產(chǎn)生上述問題的原因，并評估該合流型三通調(diào)節(jié)閥總流量大小和兩路入口管路內(nèi)總壓力不相等對三通閥調(diào)節(jié)性能的影響，有利于豐富三通閥的研究成果，給閥門結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供理論指導(dǎo)和依據(jù)。

1 數(shù)值方法

1.1 幾何模型

核電調(diào)節(jié)硼酸濃度子系統(tǒng)用三通調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)如圖1 所示，核心部件包括閥體、上閥籠、下閥籠、閥芯。閥體外型呈T 型，下閥籠放置于閥體內(nèi)底部的閥座上，上、下閥籠通過梯形卡槽相互固定，窗口角度保持一致，閥芯被限制在下閥籠內(nèi)部上下移動，閥籠喉徑和閥芯尺寸如圖2 所示。閥桿與電動傳動機(jī)構(gòu)相連接，閥門進(jìn)、出口法蘭通過螺栓連接。

圖1 合流型三通調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of three-way converging regulating valve

圖2 閥籠及閥芯結(jié)構(gòu)尺寸示意Fig.2 Schematic diagram of valve cage and core structure dimensions

在實際使用過程中，閥門整體豎直安裝，閥桿垂直水平面移動。高濃度硼酸溶液從一側(cè)水平入口流入閥門，除鹽水從下側(cè)入口流入閥門，兩路流體于閥門內(nèi)部匯合，高濃度硼酸溶液被除鹽水稀釋，低濃度硼酸溶液從一側(cè)水平出口流出。上下閥籠的作用是實現(xiàn)閥芯和閥體間的配合安裝，其矩形窗口能導(dǎo)流閥內(nèi)流體，減小渦旋。閥芯的作用是改變高濃度硼酸溶液路和除鹽水路的最小流通截面積，調(diào)整兩路入口的流量比例，控制出口硼酸溶液濃度。流道半透明三維模型如圖3 所示。三通調(diào)節(jié)閥的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 閥門主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main parameters of the valve

圖3 流道半透明三維模型示意Fig.3 Schematic diagram of semitransparent threedimensional model of flow passage

1.2 網(wǎng)格劃分

采用四面體網(wǎng)格和六面體網(wǎng)格對三通閥流道模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。該模型核心部分幾何形狀復(fù)雜且尺寸較小。四面體網(wǎng)格對三通閥流道形狀適應(yīng)性好，網(wǎng)絡(luò)生成快速。由于本身模型尺寸小，不會產(chǎn)生過大的網(wǎng)格數(shù)，故采用四面體網(wǎng)格。生成網(wǎng)格如圖4 所示，網(wǎng)格逆正交質(zhì)量為8.13。當(dāng)閥門開度為50%時，將平均單元尺寸作為自變量，將硼酸側(cè)入口流量作為因變量和監(jiān)測對象，做網(wǎng)格獨(dú)立性驗證。

圖4 流道網(wǎng)格模型示意Fig.4 Schematic diagram of grid model of flow passage

當(dāng)平均單元尺寸≤1 mm 時，硼酸側(cè)入口流量基本保持不變，故將平均單元尺寸設(shè)置為1 mm，見表2。劃分后的流道離散網(wǎng)格模型如圖4 所示。

表2 網(wǎng)格獨(dú)立性驗證Tab.2 Grid independence verification

1.3 試驗裝置

三通閥流量試驗管路布局與試驗原理如圖5所示，測試場地為美國某市的水力研究試驗室，主要部件包括儲液箱、液泵、測試閥、測試儀表、管件、截止閥、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等。

圖5 合流型三通調(diào)節(jié)閥試驗布局示意Fig.5 Schematic diagram of experimental layout of three-way converging regulating valve

測試程序遵循標(biāo)準(zhǔn) ISA 75.02.01-2008。被測閥門的開度從100%全開變化至0 全關(guān)，再從0全關(guān)變化至80%開度，每隔20%測定1 組，共測定10 組，出口總流量控制在0.011 m3/s 不變，入口壓力控制在0.22 MPa 左右。

流量試驗完成了以下工作：通過下游控制閥設(shè)定出口總流量，閥內(nèi)流量方向從B 到A，C 到A；使用精密刻度表或壓力變送器記錄上游壓力；使用差壓變送器記錄閥門出入口的壓差；使用校準(zhǔn)的流量計記錄體積流量；記錄流體溫度，試驗室里的水溫保持相對恒定；記錄環(huán)境氣壓。最終計算出每種流量條件下閥門的流量系數(shù)Cv，繪制流量曲線圖。

從圖5 中看出，被測三通閥閥體通徑為3NB，閥門三通閥上游的每個入口處安裝了相當(dāng)于至少20 個直徑的直鋼管，在三通閥的出口處向下游安裝了相當(dāng)于8 個通徑的直鋼管。液體壓力計和流量計分別位于閥門上游兩入口的2 個直徑和下游6 個直徑處，下游液體流量計位于下游6 個直徑處，且所有的壓力計算都考慮了壓頭之間的沿程局部水力損失。

其中，測試流程分為3 個階段。第1 個階段為單通路測試，開啟閥門1，3，4，被測閥門閥位降到最低，測試從B 口到A 口的單路流量特性；第2個階段為單通路測試，開啟閥門2，4，被測閥門閥位抬到最高，測試從C 口到A 口的單路流量特性；第3 個階段為雙通路測試，開啟閥門1，2，4，被測閥門閥位依次向上降低至20%，40%，60%，80%，再依次抬升至60%，40%，20%，共進(jìn)行7 組測試，測試從B 口到A 口、從C 口到A 口的雙路流量特性。在測試過程中，通過調(diào)節(jié)下游總給水流量調(diào)節(jié)閥開度來維持三通閥出口總流量恒定。

試驗結(jié)果在3.1 節(jié)詳細(xì)說明，主要是用于對照模擬所得流量特性曲線的結(jié)果，驗證模擬結(jié)果的合理性。

1.4 三通閥模擬邊界條件設(shè)定

流場模擬分析分為兩步：第1 組硼酸側(cè)和除鹽水側(cè)入口壓力相等，壓力參數(shù)設(shè)置為220 kPa，出口流量參數(shù)2 次分別設(shè)置為0.55，5.5 kg/s，用于測試三通閥流量特性曲線和入口壓力相等條件下的流量分配情況；第2 組硼酸側(cè)和除鹽水側(cè)入口壓力不等，硼酸側(cè)入口壓力參數(shù)設(shè)置為73.5 kPa，除鹽水側(cè)入口壓力參數(shù)設(shè)置為125 kPa，出口流量參數(shù)2 次分別設(shè)置為0.55，5.5kg/s，用于測試三通閥在入口壓力不等條件下的流量分配情況。由于模擬采用的離散網(wǎng)格模型為包含對稱面的半模型，上述流量參數(shù)設(shè)置為實際值的一半。

硼酸濃度調(diào)節(jié)范圍為0 ～ 2.7×10-3，即質(zhì)量最高僅占混合流體的0.027%，硼酸的密度為1.43 kg/m3，為水密度的1.43 倍，因此在調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，硼酸濃度對混合流體物性參數(shù)影響小，允許簡化。故將流體介質(zhì)設(shè)置為常溫（20 ℃）的水，通過考察三通閥兩路入口流量比率，評價其性能。湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn) k-ε模型，近壁面處理采用標(biāo)準(zhǔn)壁面方程，求解方法采用默認(rèn)設(shè)置，迭代步數(shù)設(shè)置為10 000。在模型出入口設(shè)置檢測面。迭代收斂后，獲取除鹽水入口流量Qw，硼酸入口流量Qb，除鹽水入口壓力Pw，硼酸入口壓力Pb，出口壓力Po。計算時，除鹽水路壓差ΔPw=Pw-Po，硼酸路壓差ΔPb=Pb-Po。

2 數(shù)學(xué)模型

流向相互垂直的兩路介質(zhì)在豎直安裝的三通調(diào)節(jié)閥內(nèi)混合，從閥門出口流出，其壓力和流速發(fā)生變化。在閥芯和閥籠喉部之間的縫隙處，由于流通截面積縮小，該處的流速增大，靜壓力下降。另外液體與閥門壁面的摩擦及湍流內(nèi)部的相互摩擦，使得部分水力能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。假設(shè)來自硼酸入口的壓力為p1，介質(zhì)質(zhì)量流量為Qm1，流速為v1；來自除鹽水入口的的壓力為p2，介質(zhì)質(zhì)量流量為Qm2，流速為v2；出口流量壓力為p3，流速為v3。因此根據(jù)能量守恒定律，三通閥內(nèi)部流體伯努利方程式為：

研究采用標(biāo)準(zhǔn) k-ε湍流模型計算三通閥流場。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型廣泛應(yīng)用于湍流模型的計算，綜合了較低計算量和較高精度的優(yōu)點。標(biāo)準(zhǔn) k-ε湍流模型的主要方程為：

式中，vt為渦黏性系數(shù)；P 為湍動能生成項。對于上式的系數(shù)，設(shè)置參數(shù)如下：Cμ=0.09，C1=1.44，C2=1.92，σk=1。

流量系數(shù)Kv計算公式為：

式中，Q 為體積流量，m3/h；ρ為水的密度，kg/m3；ΔPv為閥門的凈壓差，kPa；ρ0為15 ℃水的密度，kg/m3。

換算為流量系數(shù)Cv為：

將模擬與試驗得到的流量、壓差數(shù)據(jù)帶入式中，可以計算得到三通閥在各開度下的兩路流量系數(shù)。

3 計算結(jié)果與討論

3.1 閥門固有特性及流場分析

圖6 示出三通閥流量特性曲線模擬結(jié)果及試驗結(jié)果，模擬及試驗條件為：出口流量恒定為11 kg/s，三通閥雙側(cè)入口壓力均為220 kPa。三通閥流量系數(shù)模擬結(jié)果和試驗結(jié)果的平均偏差為E=3.94%，吻合度較高，故認(rèn)為所做的模擬試驗結(jié)果是準(zhǔn)確可靠的。其中三通閥除鹽水側(cè)流通系數(shù)呈近似斜率為k=-1.6 的趨勢線性下降，即除鹽水側(cè)流通系數(shù)隨閥門開度L/Lm均勻減小，當(dāng)除鹽水側(cè)全開即閥門開度為L/Lm=0%時，除鹽水側(cè)最大流通系數(shù)為Cv=160；三通閥硼酸側(cè)流通系數(shù)呈近似斜率為k=1.2 線性上升，即硼酸側(cè)流通系數(shù)隨閥門開度L/Lm均勻增大，硼酸側(cè)全開即閥門開度為L/Lm=100%時，硼酸側(cè)最大流通系數(shù)Cv=120?？梢耘袛?，在雙側(cè)入口壓力相等且出口總流量足夠大的條件下，三通閥自身流量特性曲線能夠滿足按比例調(diào)節(jié)硼酸濃度的需求。

圖6 三通閥流量特性曲線模擬結(jié)果和試驗結(jié)果對比Fig.6 Comparison between simulated and experimental results of the flow characteristic curve of the three-way valve

合流型硼酸調(diào)節(jié)三通閥在不同閥位閥內(nèi)流場的對稱面速度云圖如圖7 所示，壓力云圖如圖8所示，開度50%的橫截面速度云圖如圖9 所示。如圖7，9 所示，硼酸溶液從左側(cè)入口進(jìn)入三通調(diào)節(jié)閥后，先經(jīng)上閥籠節(jié)流窗口自外向內(nèi)進(jìn)入閥門上腔，然后向下通過上閥籠和閥芯間最小截流面積處進(jìn)入閥門中腔；除鹽水從下側(cè)入口進(jìn)入三通調(diào)節(jié)閥后，先經(jīng)上閥籠和閥芯間最小截流面積處進(jìn)入閥門下腔，然后經(jīng)下閥籠截留窗口自內(nèi)向外進(jìn)入閥門中腔。在閥門中腔硼酸溶液和除鹽水匯合，并經(jīng)出口流道流出三通調(diào)節(jié)閥。

圖7 合流型三通調(diào)節(jié)閥在不同閥位閥內(nèi)流場的速度云圖和流線（總流量11 kg/s）Fig.7 Velocity contour and streamline diagram of flow field in boric acid three-way converging regulating valve at different valve positions（total flow rate 11 kg/s）

圖8 合流型三通調(diào)節(jié)閥在不同閥位閥內(nèi)流場的對稱面壓力云圖（總流量11 kg/s）Fig.8 Pressure contour of flow field in boric acid three-way converging regulating valve at different valve positions（total flow rate 11 kg/s）

圖9 合流型三通調(diào)節(jié)閥在開度50%時的閥籠橫截面速度云圖和流線（總流量11 kg/s）Fig.9 Velocity contour and streamline diagram of boric acid three-way converging regulating valve at 50% opening on cross section of the valve cage（total flow rate 11 kg/s）

由圖7（a）可知，當(dāng)閥門開度10%時，左側(cè)入口流域流速較大，下側(cè)入口流域流速較小，最高流速出現(xiàn)于閥芯和上閥籠間隙處的出口一側(cè)。硼酸溶液經(jīng)過閥芯和下閥籠間最小截流面，在閥中腔內(nèi)形成低速順時針渦旋，引起該股流體流向發(fā)生大幅偏轉(zhuǎn)，與除鹽水匯合后，進(jìn)入閥出口流道。由圖7（c）可知，當(dāng)閥門開度90%時，左側(cè)入口流域流速較小，下側(cè)入口流域流速較大，流速最高處出現(xiàn)于閥芯和下閥籠間隙處的出口側(cè)。除鹽水經(jīng)過閥芯和下閥籠間最小截流面，流經(jīng)下閥籠節(jié)流窗口，在閥下腔內(nèi)形成低速逆時針渦旋，引起該股流體流向發(fā)生大幅偏轉(zhuǎn)，與硼酸溶液匯合后，經(jīng)過下閥籠右側(cè)窗口進(jìn)入閥出口。

由圖7（b）可知，當(dāng)閥門開度50%時，閥上腔及閥下腔渦旋同時產(chǎn)生且反向旋轉(zhuǎn)，兩股渦旋相互制約。經(jīng)流體充分發(fā)展，當(dāng)閥門開度10%時，出口平均壓力為0.212 MPa；當(dāng)閥門開度50%時，出口平均壓力為0.209 MPa；當(dāng)閥門開度90%時，出口平均壓力為0.213 MPa。出口壓力越低則閥門壓降越大，即閥門流阻越大?？梢缘玫酱藭r雙渦旋引起流體阻力上升，流通能力下降，導(dǎo)致部分流體滯留于閥腔內(nèi)。流域出口流體明顯分層，上層流體來自左側(cè)硼酸入口，下層流體來自下側(cè)除鹽水入口，最終合流為一股水平水流。

由圖8 可知，當(dāng)閥位較低或較高時，閥芯所受壓力呈現(xiàn)不均勻分布。如圖8（a）示出當(dāng)閥門開度10%時，閥芯底部靠左側(cè)存在高壓區(qū)；如圖8（c）示出當(dāng)閥門開度90%時，閥芯上部靠右側(cè)存在高壓區(qū)。這種不均勻的壓力分布會對閥芯產(chǎn)生不平衡力矩，該現(xiàn)象會阻礙閥芯的啟閉運(yùn)動，導(dǎo)致閥芯卡滯，是引起閥門響應(yīng)時間長的因素之一；影響閥芯和閥籠間的通流面形態(tài)，降低調(diào)節(jié)精度；增大閥芯磨損，降低閥芯的使用壽命。

3.2 基于不同總流量工況的流動特性分析

圖10 示出的在雙側(cè)入口壓力相等條件，不同出口總流量工況下的模擬結(jié)果。其中一組雙側(cè)入口壓力邊界條件設(shè)定為220 kPa，出口流量邊界條件為11 kg/s；另一組雙側(cè)入口壓力邊界條件設(shè)定相同，出口流量邊界條件為1.1 kg/s。由圖可見，當(dāng)出口流量恒定為11 kg/s 時，三通閥流量分配曲線總體呈線性交叉狀，硼酸側(cè)流量Qb隨開度L/Lm增大而上升，除鹽水側(cè)流量Qw隨開度L/Lm增大而下降，曲線斜率基本保持不變，此時三通閥的調(diào)節(jié)性能較為理想。

圖10 不同總流量工況條件下三通閥模擬流量分配曲線對比Fig.10 Comparison of simulated flow distribution curves of three-way valve under different total flow conditions

當(dāng)出口流量恒定為1.1 kg/s 時，可得當(dāng)開度L/Lm≤30%時，硼酸側(cè)流量Qb隨著開度L/Lm增大而顯著上升，除鹽水側(cè)流量Qw隨著開度L/Lm增大而顯著下降；當(dāng)開度30%≤L/Lm≤80%，隨著開度L/Lm的逐漸增大，硼酸側(cè)及除鹽水側(cè)流量Qw的變化幅度放緩；當(dāng)開度L/Lm≥80%時，硼酸側(cè)流量Qb隨著開度L/Lm增大而顯著上升，除鹽水側(cè)流量Qw隨著開度L/Lm增大而顯著下降。硼酸側(cè)流量Qb曲線及除鹽水側(cè)流量Qw曲線呈以流量Q=0.55 對稱狀。由以上曲線規(guī)律可得，在總流量Q 為1.1 kg/s 的工況條件下，閥門在開度30%≤L/Lm≤80%的調(diào)節(jié)能力較弱，明顯低于在開度L/Lm≤30%及L/Lm≥80%非最佳閥位調(diào)節(jié)區(qū)間的調(diào)節(jié)能力。在總流量Q 為1.1 kg/s 的工況條件下，該三通調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)性能明顯降低。

當(dāng)入口壓力邊界條件設(shè)定為220 kPa，出口流量邊界條件為1.1 kg/s 時，不同閥位閥內(nèi)流場的對稱面速度云圖如圖11 所示，壓力云圖如圖12所示。由圖11 可得，相較總流量為11kg/s 的工況，此時閥內(nèi)總體流速顯著降低，但閥中腔仍存在低速渦旋。如圖11（a）（c）所示，當(dāng)開度10%，90%時產(chǎn)生的單渦旋較總流量為11 kg/s 的工況有所減弱，此處渦旋所引起的機(jī)械能耗散程度有所降低；如圖11（b）所示，當(dāng)開度50%時產(chǎn)生的連續(xù)雙渦旋較總流量為11 kg/s 的工況仍然強(qiáng)烈，此處渦旋引起流體阻力上升，流通能力下降，導(dǎo)致部分流體滯留于閥腔內(nèi)。因開度10%及90%時產(chǎn)生的單渦旋影響減弱，開度50%時產(chǎn)生的連續(xù)雙渦旋影響更為明顯，在一定程度上引起中部閥位的調(diào)節(jié)性能明顯降低。

圖11 合流型三通調(diào)節(jié)閥在不同閥位閥內(nèi)流場的速度云圖和流線圖總流量（1.1 kg/s）Fig.11 Velocity contour and streamline diagram of flow field in boric acid three-way converging regulating valve at different valve positions（total flow rate 1.1 kg/s）

圖12 合流型三通調(diào)節(jié)閥在不同閥位閥內(nèi)流場的壓力云圖（總流量1.1 kg/s）Fig.12 Pressure contour of flow field in boric acid three-way converging regulating valve at different valve positions（total flow rate 1.1 kg/s）

由圖12 可得，相較總流量為11 kg/s 的工況，此時閥內(nèi)總體壓力明顯升高，且整體壓力趨于平均，壓差減小。如圖12（a）所示，閥芯底部靠左側(cè)的高壓影響較總流量為11 kg/s 時的工況明顯減弱；如圖12（c）所示，閥芯上部靠右側(cè)的高壓影響較總流量為11 kg/s 的工況明顯減弱。由此可得，當(dāng)流量較小時，該閥由于不對稱結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的閥芯不平衡力明顯減小。

3.3 基于不同入口壓力的流動特性分析

圖13 示出在雙側(cè)入口壓力不等條件下的流量分配模擬結(jié)果。

其中1 組硼酸側(cè)入口壓力邊界條件設(shè)定為73.5 kPa，除鹽水側(cè)壓力邊界條件設(shè)定為125 kPa，出口流量邊界條件為11 kg/s；另1 組雙側(cè)入口壓力邊界條件設(shè)定相同，出口流量邊界條件為1.1 kg/s。其中，分析總流量Q=1.1 kg/s 的測定結(jié)果可得，當(dāng)開度L/Lm≤80%時，硼酸側(cè)流量Qb≤0，即硼酸側(cè)入口因雙側(cè)入口壓力不等出現(xiàn)低壓口回流現(xiàn)象，此時閥門在開度0%≤L/Lm≤80%時失去調(diào)節(jié)性能；分析總流量Q=11 kg/s的測定結(jié)果可得，當(dāng)開度L/Lm≤28%時，硼酸側(cè)流量Qb≤0，即硼酸側(cè)入口因雙側(cè)入口壓力不等出現(xiàn)低壓口回流現(xiàn)象，此時閥門在開度0%≤L/Lm≤28%失去調(diào)節(jié)性能。由此可得，三通閥雙側(cè)入口壓力不等會導(dǎo)致部分閥位失去調(diào)節(jié)性能，且出口總流量Q 越小，該失效閥位區(qū)間越大。

在上述工況條件下，繪制了不同閥位閥內(nèi)流場速度云圖和流線，如圖14 所示。比較圖14（a）（b）可得，當(dāng)開度10%時，左側(cè)即硼酸側(cè)入口都出現(xiàn)了回流現(xiàn)象，此時兩種出口流量條件下閥位都失效。由于通流面積突然減小和回流效應(yīng)，閥芯上表面的流速顯著增大。在上腔右側(cè)形成了較大低速渦旋。當(dāng)右側(cè)出口總流量為11 kg/s 時，閥內(nèi)流速普遍更大，且在閥中腔產(chǎn)生低速渦旋，并引起渦旋邊緣即靠近閥芯下表面一側(cè)形成一段高速流動區(qū)域，出口段流動更為平穩(wěn)。當(dāng)右側(cè)出口總流量為1.1 kg/s 時，閥內(nèi)流速普遍更小，且閥中腔的渦旋影響較小，左側(cè)回流段流動更為平穩(wěn)。

圖14 合流型三通調(diào)節(jié)閥在不相等入口壓力邊界條件下的閥內(nèi)流場速度云圖和流線Fig.14 Velocity contour and streamline diagram of boric acid three-way converging regulating valve under different inlet pressure boundary conditions

比較圖14（c）（d）可得，當(dāng)開度50%時，出口流量為1.1 kg/s 時未出現(xiàn)回流現(xiàn)象，出口流量為1.1 kg/s 時左側(cè)即硼酸側(cè)入口出現(xiàn)了回流現(xiàn)象，此時僅1.1 kg/s 出口流量條件下閥位失效。在開度50%的條件下，兩種出口流量條件的閥內(nèi)總體流速較為接近。由于通流面積突然減小和下側(cè)即除鹽水側(cè)入口的高壓影響，都在閥芯下表面形成高速流動區(qū)。當(dāng)右側(cè)出口總流量為11 kg/s 時，左側(cè)入口的流速接近于0，從左側(cè)進(jìn)入的流體最終滯留于上腔頂端的渦旋中，且出口段流動更為平穩(wěn)。當(dāng)右側(cè)出口總流量為1.1kg/s 時，出口段管路內(nèi)形成范圍較大的渦旋，導(dǎo)致一部分流體回流至三通閥出口端面，降低了流動效率。

比較圖14（e）（f）可得，當(dāng)開度90%時，左側(cè)即硼酸側(cè)入口都未出現(xiàn)回流現(xiàn)象。中腔都產(chǎn)生了低速渦旋。此時兩種出口流量條件下的流動都較為平穩(wěn)，狀態(tài)比較接近。

4 結(jié)論

（1）三通閥在總流量Q 為11 kg/s 時能保持良好的調(diào)節(jié)性能，能夠滿足機(jī)組均勻調(diào)硼的需求，但當(dāng)總流量Q 為1.1 kg/s 時，開度30%≤L/Lm≤80%調(diào)節(jié)能力較差，在開度L/Lm≤30%及L/Lm≥80%間內(nèi)硼濃度變化劇烈，此時三通閥調(diào)節(jié)性能不理想，這是引起機(jī)組在個別工況下調(diào)硼效率下降的重要原因。

（2）三通閥中腔內(nèi)存在較大低速渦旋，導(dǎo)致三通閥流通能力下降。在開度為50%時，總流量Q 為11，1.1 kg/s 條件下閥中腔都產(chǎn)生了較強(qiáng)烈的連續(xù)雙渦旋，使流體流速減緩并滯留于閥中腔內(nèi)。三通閥受不平衡力矩影響，該現(xiàn)象在總流量Q 為11 kg/s 時更為明顯。

（3）閥門開度控制不在最佳控制區(qū)域，各工況下閥位均較高，調(diào)硼效果不理想，較小流量、較低硼濃度時硼偏差過大。該現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是三通閥雙側(cè)入口壓力不等。由于實際機(jī)組運(yùn)行中，硼酸側(cè)入口壓力Pp=73.5 kPa，除鹽水側(cè)入口壓力Pw=125 kPa，導(dǎo)致除鹽水側(cè)介質(zhì)往硼酸一側(cè)倒流，且出口總流量越小，該現(xiàn)象越明顯，失效閥位越大，可調(diào)節(jié)區(qū)間越小。解決方法為在高壓入口處安裝減壓閥，以調(diào)平兩側(cè)入口的壓力。