核2级气动薄膜单座调节阀流场数值模拟

核动力工程Nuclear Power Engineering Vol.31. No.5 Oct. 2 0 1 0

第31卷 第 5 期

2 0 1 0年10月

文章编号：0258-0926(2010)05-0053-04

核2级气动薄膜单座调节阀流场数值模拟

钟云1，张继革1，王德忠1，施建中2

（1. 上海交通大学机械与动力工程学院，上海，200240；2. 上海自动化仪表股份有限公司，上海，200233）

摘要：运用计算流体力学（CFD）方法对核2级气动薄膜单座调节阀多开度下的稳态和瞬态流场进行了数值模拟。额定工况下稳态数值模拟结果表明，阀座缩口和阀芯表面涡量很大，导致阀芯头部受到较大的流动冲击，且阀芯锥面压力分布不均匀，可见阀芯为薄弱环节，在设计中应着重考虑。在稳态计算的基础上，对100%和40%开度的流场进行瞬态数值模拟，计算得出流道中涡量最大位置（缩口和阀芯表面）的压力脉动主要频率与阀门结构的前几阶振频存在一定差别，不易引起结构共振。

关键词：核级；调节阀；流场数值模拟；振动

中图分类号：TL353+.11文献标识码：A

1 引言

调节阀在核电厂运行控制中起着重要作用，在某些工况下，调节阀内非定常流动会引起振动、噪声和能量损失，直接影响核电厂的安全经济运行[1,2]。调节阀的流道设计涉及复杂的流体力学问题。随着计算机技术和力学理论的发展，采用数值模拟方法研究复杂流场越来越受到重视[3,4]。本文运用稳态和瞬态流体数值模拟方法，研究核2级气动薄膜调节阀内的流动，并结合结构力学分析，研究了阀内流动引起的振动和噪声，为该调节阀样机研制提供必要的依据。

2 调节阀模型

套筒式调节阀阀内流道形状复杂，阀座缩口很小，导致此处流体高速流动，冲击阀芯表面，形成涡流，易造成流动不稳定性，进而诱发阀体动力学响应，引起振动和噪声。阀座缩口段的进口至套筒窗口之间的流道空间是涡流和流动不稳定性最激烈的地方，因此在网格划分时应进行专门的网格加密，以提高计算准确度。图1给出了套筒式调节阀的三维计算网格示意。采用分区网格，对阀座缩口及套筒内区域进行加密。通过网格敏感度分析，将网格敏感度控制在1%以下，基本消除了离散方程截断误差引起的数值扩散。最终确定，网格单元数约为6×105。

图1 流道模型网格划分

Fig. 1Grid Meshing of Flow Passage Model

3 调节阀流量特性及阻力特性分析

选择分离式求解器、标准k-ε湍流稳态计算模型[5]，对近壁区采用壁面函数法拟合，采用simple算法，对10%~100%共10个开度下的时均化流场进行数值模拟，得出不同开度下的C v 值（C v为保持阀门两端压差为0.1 MPa时，单位时间内流经阀门的常温液态水的质量[6]）。流量-开度曲线如图2所示。对图2曲线进行对数拟合，可知该调节阀为等百分比型阀，与设计要求相符。

在湍流状态，阀门的局部流动阻力系数一般只与雷诺数Re及局部结构形式有关[7]。

2

2

1

ζρu

p=

Δ（1）式中，Δp为阀进出口压差，Pa；ζ为局部阻力系数；ρ为介质密度，kg/m3；u为流体流动平均速度，m/s。

收稿日期：2009-04-24；修回日期：2010-05-05

核动力工程 V ol.31. No.5. 2010 54

在获得流量-开度曲线的基础上，得出进、出口压差为1个大气压时的阻力系数-开度曲线（图3）。调节阀从关闭状态逐步开启，阻力系数从极大数值急剧下降，当开度达到50%左右时，阻力系数已经很小，特别是70%开度之后阻力系数基本不变，即70%开度后流量随开度线性增大。

图2 流量-开度曲线

Fig. 2 Mass Flow Rate-Opening Curve

图3 阻力系数-开度曲线

Fig. 3 Drag Coefficient-Opening Curve

4 流场不稳定对阀体振动的影响分析

由100%开度下阀内时均化流场数值模拟得出，最大速度位于阀座缩颈前端。实际上，通过计算分析雷诺数Re可知，阀内流动主要为湍流流动，尤其在阀座缩口喉部、阀芯表面处有明显的涡流（图4），湍流强度表征为湍流脉动的激烈程度，是脉动速度的均方根与平均速度的比值。这些部位的压力脉动会诱发阀体或系统的动力学响应，从而引起振动和噪声；如果脉动频率接近阀体或系统自振频率，就会引发强烈共振，甚至造成设备损坏，因此在设计时必须给予充分考虑。

在进行阀内流场瞬态数值模拟时，首先选取压力脉动监测点。根据前述分析，共选取92个

图4 y=0处截面湍流强度云图

Fig. 4 Contour of Turbulence Intensity on y=0

位于阀座缩口、阀芯锥面及各压力表面附近的位置进行监测。首先采用标准k-ε模型计算得到稳态初始流场，然后采用大涡模型模拟100%开度瞬态流场[8]；待流场瞬态特性充分发展后（即同一点压力脉动幅值比较均匀），记录各监测点的压力随时间的变化，并对压力脉动进行频谱分析，分离出各个频率的脉动，得出某监测点的压力脉动1/3频程谱（图5）。计算得到的比较重要的压力脉动幅值在150 dB（约630 Pa）左右。

图5 某监测点压力波动1/3倍频程谱Fig. 5 1/3-Octave Band Spectrum of Static Pressure

Fluctuation on a Monitored Point

统计分析得出，众多监测点压力脉动中强度较大的频率（即阀内流场可能引起振动的主要频率）集中在低频带130、160、500、800 Hz左右，相应的发生部位也集中在阀座缩口喉部、阀座上表面附近和阀芯下部表面。

对接管和支撑等系统的影响主要是自振频率。虽然调节阀的安装环境是多种多样的，但本文在计算自振频率时，主要是从样机试验的角度来考虑，对阀门两端采用了固定约束。由阀结构体模态分析得出阀的自振频率，如表1所示。

由表1可知，流场内的主要压力脉动频率与阀门结构的前几阶振频存在一定差别，阀体部位刚度较大，而常用工况下湍流压力脉动幅度较