旋啟式核反應(yīng)閥內(nèi)部流動數(shù)值模擬

旋啟式核反應(yīng)閥內(nèi)部流動數(shù)值模擬

在管道系統(tǒng)中，停止開口是防止的。如果介質(zhì)回流，則可以停止緩沖區(qū)和防止電機(jī)突然停止運(yùn)行時產(chǎn)生的水擊波，從而減少管道系統(tǒng)的影響。目前國內(nèi)使用最普遍的是旋啟式止回閥,其閥瓣動作主要受流動介質(zhì)的控制,在閥門關(guān)閉的瞬間介質(zhì)是反向流動的,易產(chǎn)生對管道系統(tǒng)起破壞作用的水錘現(xiàn)象.因此,如何改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),減小止回閥的水錘壓力及流阻損失顯得尤為重要.止回閥在瞬態(tài)操作條件下的設(shè)計(jì)是基于穩(wěn)態(tài)的結(jié)果,而穩(wěn)態(tài)性能與瞬態(tài)性能有很大的區(qū)別.與此同時,設(shè)計(jì)人員越來越注重瞬態(tài)下閥門的動態(tài)特性.由于非定常的計(jì)算較為復(fù)雜,對于止回閥內(nèi)部流道的流量特性研究,僅在試驗(yàn)方面有一定的進(jìn)展,但是在數(shù)值模擬方面還沒有得到有效的解決.針對上述問題,文中采用新結(jié)構(gòu),即增大旋啟式止回閥的下部腔體,增大緩沖區(qū)域,以達(dá)到減小水錘壓力的目的.利用Fluent中的動網(wǎng)格以及UDF技術(shù),對液流止回閥瞬態(tài)工作下的原模型以及改進(jìn)后模型的關(guān)閉動態(tài)特性進(jìn)行數(shù)值模擬,并根據(jù)具體參數(shù)進(jìn)行對比分析,為止回閥的關(guān)閉動態(tài)數(shù)值模擬以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)提供一定的參考依據(jù).1搖桿旋啟式閥瓣旋啟式止回閥結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示,其主要由閥體、閥座、閥瓣、搖桿、閥桿等零件組成.閥瓣由搖桿帶動繞閥桿旋轉(zhuǎn)啟閉.閥座一般采用5°~10°傾斜密封面,中腔為高壓金屬密封或填料復(fù)合型密封.閥桿孔可能產(chǎn)生外漏,故采用內(nèi)裝搖臂旋啟式結(jié)構(gòu).該閥的設(shè)計(jì)條件為公稱通徑DN=250mm,公稱壓力p=4.0MPa,最高工作溫度t=425℃.2數(shù)學(xué)模型2.1流體動力學(xué)方程旋啟式止回閥閥道內(nèi)部流動屬于湍流,滿足Navier-Stokes方程.即式中:u,v為流體在t時刻的速度分量;p為壓力;ρ為密度;ν為流體的運(yùn)動黏度,ν=u/ρ.N-S方程比較準(zhǔn)確地描述了實(shí)際的流動,黏性流體的流動分析均可歸結(jié)為對此方程的研究.紊動能k方程可描述為式中:ui為沿i方向的速度分量,i=1,2,3;xi為笛卡兒坐標(biāo)系坐標(biāo),i=1,2,3;k為紊動能;νw為水的運(yùn)動黏性系數(shù);νt為渦黏性系數(shù);σk為k方程的湍流動Prandtl數(shù);ε為紊動能耗散率,其方程可描述為式中:Cε1和Cε2為經(jīng)驗(yàn)常數(shù);P為紊動能生成項(xiàng),其表達(dá)式為其中:一般情況下,k-ε模型中經(jīng)驗(yàn)常數(shù)的取值為Cμ=0.09,Cε1=1.44,Cε2=1.92,σk=1.0,σε=1.3.2.2動網(wǎng)格的狀況由于流體流經(jīng)止回閥時閥瓣是運(yùn)動的,必須采用動網(wǎng)格模型.Fluent在各個時間步中會依據(jù)邊界位置的變化,繼而對網(wǎng)格進(jìn)行自動更新.守恒方程式為式中:ρ為流體密度;Φ為通量;ue014V為控制體V的邊界;u為流體的速度向量;ug為動網(wǎng)格的速度向量;Γ為擴(kuò)散系數(shù);SΦ為通量Φ的源項(xiàng).2.3閥瓣的運(yùn)動方程1)閥瓣主要受到的作用力有液動力、浮力、自身重力以及閥瓣與閥座間的支撐力和摩擦力.由牛頓第二定律,閥瓣關(guān)閉時的運(yùn)動方程可表示為式中:I為閥瓣轉(zhuǎn)動慣量,kg·m2;為閥瓣轉(zhuǎn)動角加速度,rad/s;TG為閥瓣浮力矩和重力矩,即浮重力矩,N·m;TP為水沖力矩,N·m;TF為閥瓣關(guān)閉阻力矩,N·m;Tf為摩擦力矩,N·m.2)假設(shè)閥瓣轉(zhuǎn)動時與垂直面之間的夾角為θ,由動量定理,閥瓣的受力方程可表示為式中:Ft為介質(zhì)對閥瓣的作用力,N;ρ為介質(zhì)密度,kg/m3;Q為流量;v1為流入止回閥的流體速度,m/s;v2為流出止回閥的流體速度,m/s.3計(jì)算流場的閥內(nèi)流場設(shè)計(jì)3.1生成的實(shí)體模型利用Fluent的前處理軟件Gambit軟件,對圖1所示的閥腔流道以及改進(jìn)后的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,如圖2,3所示.旋啟式止回閥的實(shí)體模型在準(zhǔn)確反映實(shí)際結(jié)構(gòu)并保證計(jì)算精度的前提下可適當(dāng)簡化,取整個閥體為計(jì)算區(qū)域.將三維流場簡化為二維流場,減小計(jì)算量,縮短計(jì)算時間.數(shù)值模擬計(jì)算中,網(wǎng)格的優(yōu)劣性將直接影響結(jié)果的精度.針對網(wǎng)格無關(guān)性問題,在保證動網(wǎng)格質(zhì)量的基礎(chǔ)上分別對止回閥的原模型及改進(jìn)后模型進(jìn)行不同密度的網(wǎng)格劃分,結(jié)果證明沒有實(shí)質(zhì)性的差異.3.2計(jì)算網(wǎng)格與程序檢查利用Fluent2D單精度求解器進(jìn)行計(jì)算,讀入并檢查網(wǎng)格.采用非耦合求解,非穩(wěn)態(tài)標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型,其余操作條件均使用程序默認(rèn).3.3閥瓣運(yùn)動邊界條件圖2,3中,流體進(jìn)口處為壓力入口,大小為4MPa,流體出口處為壓力出口,大小為0;閥瓣運(yùn)動邊界條件,轉(zhuǎn)動原點(diǎn)為(211,314.5);其余采用默認(rèn)邊界條件.介質(zhì)為水,密度ρ=998.2kg/m3,動力黏性系數(shù)μ=1.003×10-3Pa·s.3.4彈簧部分的動網(wǎng)格設(shè)置模擬二維止回閥閥瓣關(guān)閉過程中液流狀態(tài),同時采用3種更新方法,即彈簧近似光滑模型、動態(tài)分層模型以及局部重劃模型.通過Fluent設(shè)置動網(wǎng)格參數(shù)及其運(yùn)動區(qū)域.3.5閥瓣運(yùn)動的數(shù)學(xué)模型閥瓣運(yùn)動時,承受著重力、浮力、液動力、摩擦力等,由于液動力和重力對閥瓣的運(yùn)動影響較大,其他力可以忽略不計(jì).根據(jù)閥瓣實(shí)際工況下的受力特點(diǎn),采用動網(wǎng)格預(yù)定義宏DEFINE-CG-MOTION,編寫UDF程序來定義閥瓣運(yùn)動的數(shù)學(xué)模型.4非定常數(shù)值模擬計(jì)算分別對止回閥原模型和改進(jìn)后模型的流場進(jìn)行二維湍流非定常數(shù)值模擬計(jì)算.旋啟式止回閥實(shí)際的關(guān)閉過程往往會因系統(tǒng)水錘波動過程的不同而出現(xiàn)反復(fù)多次閉合現(xiàn)象,但其最高的水錘壓力不會超過第一次關(guān)閉時的波動值.4.1模型閥瓣兩側(cè)負(fù)壓區(qū)對比圖4,5分別為原模型及改進(jìn)后模型在關(guān)閉過程中不同時刻的壓力場分布圖.流體壓力分布從右端到左端總體呈階梯式遞減,但局部會出現(xiàn)突變區(qū)域.閥瓣的右側(cè)壓力很大,而左側(cè)則很小,可見閥瓣在關(guān)閉過程中受力極不平衡,容易產(chǎn)生振動.由圖4a,5a對比可知,原模型閥瓣右側(cè)壓力高于改進(jìn)后模型的壓力,原模型閥瓣左側(cè)出現(xiàn)負(fù)壓,可能產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象,而改進(jìn)后模型有效地縮小了負(fù)壓區(qū)的范圍并提高了最小負(fù)壓值;由圖4b,5b對比可知,原模型閥瓣右側(cè)壓力依舊大于改進(jìn)后模型的壓力,原模型閥瓣左側(cè)負(fù)壓區(qū)一直存在,仍然會有氣蝕現(xiàn)象,而改進(jìn)后模型閥瓣左側(cè)的負(fù)壓區(qū)已經(jīng)消失;由圖4c,5c對比可知,原模型閥瓣左右兩側(cè)的壓差要明顯高于改進(jìn)后模型,原模型閥瓣左側(cè)負(fù)壓區(qū)范圍逐漸擴(kuò)大,氣蝕現(xiàn)象明顯,而改進(jìn)后模型的閥瓣左側(cè)壓力一直維持在穩(wěn)定的范圍.4.2改進(jìn)的閥瓣與原模型的性能對比圖6,7分別為原模型以及改進(jìn)后模型在關(guān)閉過程中不同時刻的速度矢量圖.閥體內(nèi)的流動主要有2個部分:一部分是從右側(cè)到左側(cè)的主流;另一部分是閥瓣左側(cè)出現(xiàn)的旋渦流.旋渦的產(chǎn)生增大了能量的局部損耗,低壓區(qū)一般出現(xiàn)在渦流區(qū).由圖6a,7a對比可知,原模型的閥瓣下端流速很大,閥瓣后端及閥體上部均出現(xiàn)旋渦.改進(jìn)后模型的最大流速同樣出現(xiàn)在閥瓣下端,但是遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于原模型的速度值;閥瓣后端的小旋渦變?yōu)榇笮郎u,有效地減小了能量的局部損失,同時,閥體上部的旋渦消失;由圖6b,7b對比可知,原模型閥瓣下端的流速很大,閥瓣后端及閥體上部的旋渦一直存在.改進(jìn)后模型閥瓣后端及其閥體上部的小旋渦變?yōu)榇笮郎u,減小了能量損失;由圖6c,7c對比可知,原模型閥瓣下端的流速依然很大,閥瓣后端旋渦變?yōu)?個,閥體上部旋渦依然存在.改進(jìn)后模型閥瓣后端的2個小旋渦變?yōu)榇笮郎u,閥體上部的旋渦消失,有效地減小了能量的局部損失.4.3閥內(nèi)流場更加穩(wěn)定由于閥瓣末端及閥后的壓力、速度變化尤為突出,故取圖2,3中閥后a點(diǎn)、閥前b點(diǎn)分別對原模型和改進(jìn)后模型進(jìn)行壓力及速度曲線圖的繪制.圖8為原模型及改進(jìn)后模型的壓力和速度曲線圖.由圖8可以看出,改進(jìn)后模型閥前的壓力波動更加穩(wěn)定,有利于防止振動;同時,有效地減小了閥后負(fù)壓區(qū)的范圍,并提高了最小負(fù)壓值,防止氣蝕的產(chǎn)生;此外,改進(jìn)后模型有效地縮小了閥前閥后的壓力差,降低了對閥瓣及流道的沖擊作用,提高了閥門的使用壽命.另外,在閥瓣即將關(guān)閉時,兩模型的b節(jié)點(diǎn)均受到瞬時沖擊作用,速度迅速上升至最大值,隨著閥門開度的減小,其速度迅速減小;在閥門即將閉合時,原模型的速度出現(xiàn)大幅度的波動,而改進(jìn)后模型出現(xiàn)小幅度的波動,說明改進(jìn)后模型的閥內(nèi)流場更加穩(wěn)定;從整個關(guān)閉過程來看,相對于改進(jìn)后的模型,原模型閥瓣前后節(jié)點(diǎn)的速度變化更為復(fù)雜,閥內(nèi)流場的流動狀態(tài)更為劇烈,這樣在關(guān)閉過程中,會引起流道的振動、氣蝕和水擊等現(xiàn)象.5流量特性的改進(jìn)1)采用Fluent中的動網(wǎng)格及UDF技術(shù)模擬止回閥二維模型的關(guān)閉過程,相對于靜態(tài)仿真,動態(tài)仿真可以更準(zhǔn)確地模擬出流場結(jié)構(gòu),更清晰地看出整個關(guān)閉過程中的內(nèi)部流動、旋渦等流量特性,并能得到基本反映閥內(nèi)流道真實(shí)情況的分布云圖和數(shù)據(jù)