安全阀阀腔流动特性分析及数值模拟

来源:用户上传      作者:李媛 张惠兵 戴野 张瀚博 刘瑞 史耀军

　　摘 要：为研究安全阀阀腔流动特性对安全阀启闭性能的影响，加强对安全阀结构的优化与设计。通过计算流体力学对其分析了不同开度下阀腔介质流动特性与压力分布，以及启闭时安全阀阀腔流场变化规律及影响因素。结果表明：弹簧的刚度与理论刚度相吻合;导向套开槽尺寸对流量影响不大、套筒斜面角度对流量的影响基本成线性变化、随着入口口径的增加质量流量和轴向力均減小。
　　关键词：核级安全阀;结构设计;流场分析;数值模拟
　　DOI：10.15938/j.jhust.2020.01.003
　　中图分类号： TH122
　　文献标志码： A
　　文章编号： 1007-2683（2020）01-0015-07
　　Abstract：The flow characteristics of the valve cavity directly affect the opening and closing performance of the safety valveBased on the theory of fluid dynamics， we establish the finite element model of valve flow field， and the change rule and influencing factors of valve cavity flow field during opening and closing are analyzedWe take a kind of nuclear-level spring type safety valve as the research object， and the medium flow characteristics and pressure distribution in the valve chamber under different opening degrees were calculated， the valve lift curve is derivedThe influence of the groove size of the guide sleeve， the angle of the inclined surface of the guide sleeve， and the diameter of the inlet valve seat on the flow characteristics of the valve chamber medium is obtainedThe research results can guide the setting of safety valve cavity structure parameters， and provide theoretical basis for the flow characteristics and structural optimization of spring type safety valve-
　　Keywords：nuclear grade safety valve; structure design; flow field analysis; numerical simulation
　　0 引 言
　　核级阀门作为核电技术中的重要耗材，其需求规模不断扩大，其中安全阀在系统中起安全保护作用，保证设备不因高压而发生事故[1]。本文研究的新型核级安全阀，是一种弹簧式安全阀结构，利用弹簧加载于阀瓣上，属于直接载荷式安全阀[2]。安全
　　阀具有结构完善、体积精巧、可施加载荷的范围较大，并且对振动载荷因素不敏感等优点。但当载荷随阀瓣的开启而不断増加，使得旧结构的弹簧直接载荷式安全阀不能达到较大的阀瓣开启高度，以至于限制了安全阀的应用范围，更使得安全阀需要依靠引进国外技术。为了克服上述缺点并加速安全阀国产化，新型核级安全阀的结构可从两个方面进行改进，进而増大流体介质对阀瓣的作用：第1点可增加阀瓣的有效面积，从而增加承受介质静压力和冲击作用;第2点可通过控制介质的动量的变化，获得阀瓣升力，这样可以通过控制弹簧刚度的手段进行。综合考虑了上述两种原理，新型核级安全阀具备了很出色的开启高度与排放能力，使弹簧式安全阀的应用范围更加广泛。针对新型核级安全阀流道与阀腔内部流场进行流场分析，利用ANSYS CFX流体仿真软件分析安全阀流道模型[3]，计算阀瓣的特性曲线以探讨弹簧刚度。并针对阀腔结构可利用CFX进行热流体动力学特性分析[4-8]，计算压力、速度、温度分布图，并根据安全阀结构研究阀腔流量影响因素，为研究阀腔流动特性对安全阀性能的影响奠定了基础[9]。
　　从90年代后期开始，CFX技术快速发展，使得安全阀数值模拟仿真模型日趋完善，慢慢开始应用到安全阀研发和设计完善的工程实践。宋学官[10]是国内完整安全阀系统CFD仿真的开创者，他先后研究了压力容器、安全阀几何参数和弹簧刚度等因素对动态特性的影响，但是也无法避免三维模型对计算机资源消耗巨大的缺陷;Anna等[11]的研究是首个使用Fluent Dynamic Layering动网格技术模拟安全阀开启过程的案例，但是其运动控制方程明显错在失真现象;冯进等[12]使用二维的CFD模型对安全阀从开启到排放的过程进行数值模拟，研究了安全阀的动态特性。
　　本文利用国际上先进的计算流体仿真技术，通过建立安全阀阀道流场有限元模型，计算不同开度下阀腔介质流动特性与压力分布，分析启闭时安全阀阀腔流场变化规律及影响因素。推导出阀瓣升力曲线，获得导向套开槽尺寸、导向套筒斜面角度和入口阀座口径对阀腔介质流动特性的影响规律。
　　1 安全阀流道模型建立
　　本文研究对象是一种弹簧式核级安全阀结构，利用弹簧加载于阀瓣上，属于直接载荷式安全阀，主要包括阀体组件，阀座，底座，入口法兰，出口法兰，阀瓣，导向套，阀杆，定位塞，压板，上弹簧座，下弹簧座，弹簧，弹簧罩，上罩等主要零件，其结构示意图如图1所示。 　　1-堵头，2-曲轴，3-弹簧罩，4-上弹簧座，5-弹簧，6-阀杆，7-下弹簧座，8-出口法兰， 9-压板，10-阀瓣筒，11-阀体组件，12-定位塞，13-导向套，14-阀座，15-入口法兰
　　安全阀与系统管道采用法兰连接，安全阀流道具有几何对称性，同时为了减少网格数量提高分析效率，取四分之一模型进行有限元分析，并根據系统管路特点，建立了简化后的新型核级安全阀流道模型，如图2所示，如图2（a）所示为流道几何模型，图2（b）为流道有限元模型。
　　2 安全阀流道性能分析
　　2-1 阀瓣升力曲线分析
　　本文利用有限元仿真分析软件ANSYS CFX对安全阀内部流体模型进行仿真分析，模拟安全阀开启过程中阀瓣所受升力变化，并进行试验验证，通过对比，最终确定安全阀升力曲线的数值模拟分析方法。
　　作为研究安全阀动作特性的基础，升力曲线表示了流体介质对安全阀阀瓣的相对作用力与相对行程的函数关系。弹簧刚度是影响安全阀动作特性的重要因素之一。通过分析安全阀的特性曲线，即升力曲线与马赫数曲线，可以计算并得到弹簧的最佳刚度。阀瓣升力曲线是通过模拟阀瓣开度由36mm关闭到1-7mm的过程中阀瓣所受的介质推力得出来的。阀门启闭过程中，流体介质对阀瓣的升力与弹簧载荷力共同作用，产生了弹簧式安全阀的动作特性（排放压力，开启高度，回座压力等）。对阀瓣施加载荷后的结果分析如表1所示。
　　式中：ρ是升力系数;Fs是阀瓣升力;也就是流体在阀瓣上总合力，N;p是阀进口介质静压力，MPa;d0是流道直径，mm。
　　升力系数ρ随启闭高度变化，取决于阀门结构及各零件形状尺寸，通常借助仿真分析来确定[13]。阀瓣在35mm～20mm各开度下的介质流线如图3所示。由图3可知，不同开度下流体介质速度流线变化集中在阀瓣周围。
　　2-2 升力曲线图与马赫数分析
　　由以上结果绘制阀门各个开度状态下的阀瓣升力曲线，如图4所示。在正常工作条件下，安全阀阀瓣所受的背压较大[14]，升力特性曲线在开度34mm以后逐渐趋于平缓到最后形成为直线。通过仿真分析试验，安全阀阀瓣的开度为3-4mm时升力系数最小，当阀瓣开度为5～30mm之间时，阀瓣升力系数最大，直至趋于平缓没有起伏。
　　式中：F为弹簧计算刚度，N/mm;h为阀瓣开启高度，mm;d0为流道直径，mm;Dm为关闭件密封面平均直径，mm;pdr为额定排放压力，MPa;ps为整定压力（开启压力），MPa;ρh为开度为h时的阀瓣升力系数。
　　通过计算公式得到的弹簧刚度偏小，但基本符合理论计算得到的弹簧刚度。提取阀门喉部位置马赫数见表2，绘制马赫数-开度变化曲线如图5所示。
　　马赫数为流场中某点的速度v同该点的当地声速c之比，被称为流体力学中表征流体可压缩程度的一个重要的无量纲参数。马赫数相对数值越大，阀门回座更加平稳。安全阀排放量大取决于马赫数高，相当于流体介质的流速高，等同于流体介质在开口处静压小。通过得到的升力曲线图与马赫数图，可以确定阀瓣升力大小的范围，两个因素可以供设计人员参考，首先确保在相应开度附近，随着阀门的关闭，介质升力逐渐远大于弹簧力;其次阀门在初始开度时，介质作用力不能太大，其值要在350kN以下才能保证流量稳定。
　　3 安全阀阀腔内部流场特性分析
　　3-1 建立阀腔流场模型
　　安全阀的三维模型如图6所示，有限元模型如图7所示。由于安全阀几何结构都具有对称性，所以只需计算整个安全阀模型的1/2。安全阀内部的流动为三维湍流流动，其通用控制方程为[15]：
　　3-2 阀腔流场与温度场分析
　　对安全阀在不同入口压力、不同开度条件下的流场与温度场进行了模拟分析，获得了不同情况下安全阀的压力分布、速度场和温度分布规律。开度0-5mm时不同入口压力下的压力场分布见图8、速度分布见图9。
　　从图中可以看出，开度0-5mm时，入口处的压力相对较高，阀瓣附近区域压力最低，阀瓣下游区域压力较低。流体速度在下阀瓣底部最小凹槽截面处达到最大值，并且随着入口压力的增加而增加，最大速度可达80m/s。
　　同理开度2-0mm、开度2-5mm的后处理结果不再赘述，分别通过后处理结果可以看出：开度2-0mm时，入口在下阀瓣最底部压力最高，下游区域压力较低。流体速度在下阀瓣底部最小凹槽截面处与导向套筒斜面处较高，并且随着开度的增加值也在增加，最大开度时速度最大值达到86m/s，下游区域速度较低;开度2-5mm时，下阀瓣最底部压力最高，下游区域压力较低。流体速度在下阀瓣底部导向套筒斜面处较高，并且随着开度的增加也在增加，最大开度时速度最大值达到88m/s，下游区域速度较低。
　　图10（a）、（b）和（c）分别是入口压力为3-982MPa，开度为0-5mm、2-0mm和2-5mm时对称面的温度分布图。最大温差分别为1-27K、1-16K和1-12K。通过分析其它入口压力温度场时发现，温差很小，入口压力为3-62MPa时，开度为0-5mm、2-0mm和2-5mm时，温差分别为1-18K、0-95K和1-04K;入口压力为2-896MPa时，温差分别为0-91K、0-84K和0-81K。可以看出，入口压力相同时，随着开度的增加温差减小;开度相同时，随着入口压力的增加温差增大。总体来说温差都很小。
　　3-3 安全阀阀腔影响流量的因素分析
　　如图11所示，仿真曲线为安全阀在不同压力下的流量变化趋势，横坐标轴表示安全阀不同开口度[15]。由图分析得知：安全阀的流量大小与开口度
　　大小成正比，随开口度的增大而增大。如图12所示，仿真曲线为安全阀开口度为全开时质量流量变化趋势，横坐标轴表示安全阀入口不同压力。分析得知：安全阀的质量流量大小随压力的增加而增加。 　　分析系统对安全阀的导向套开槽尺寸、导向套筒斜面角度和入口阀座口径进行分析研究，这三个影响因素对于安全阀的压力场、速度场和受力特性都有影响。本文主要以导向套开槽尺寸为例介绍分析开槽的宽度和高度在阀瓣全开时对受力、流量和流场的影响的过程。表3是阀门全开时导向套开槽尺寸变化时的流量和阀瓣轴向力（过冷水对阀瓣向上的力）数据，在入口压力相同时，导向套开槽宽度对流量的影响很小，高度对流量的影响较大，流量随导向套开槽度的高度增加而增加，如入口压力为2-896Mpa时，高度增加40%，流量增加29-3%。
　　同理可得出：导向套筒斜面角度对流量的影响基本成线性变化，入口为排放压力下，角度变化50%时质量流量增加17%。角度对轴向力的影响逐渐增大，并且角度增加50%，可使轴向力增大21-5%，可见角度对轴向力的影响很大。随着倾斜角度的增加，最大速度先减小后增大，最大压力先增大后减小。对于入口阀座口径对安全阀特性的影响，随着入口口径的增加质量流量和轴向力均减小，如入口为2-896MPa时，直径增加25%，质量流量减小7%，轴向力减小11-5%。随着口径的增加，流动的最大压力和最大速度值均增加，并且入口段压力和速度分布的层次逐渐变淡。
　　4 结 论
　　本文通过理论分析和仿真结果分析，得到以下结论：
　　1）通过分析安全阀阀腔流场特性，計算了阀瓣的升力曲线，验证了弹簧的刚度与理论刚度相吻合。
　　2）以安全阀管道内流体的流动模型为基础，设置不同开口度参数和不同压力参数，分析流体的速度场和压力场，获得了安全阀不同开度下的压力分布、速度分布、流量和受力特性。
　　3）分析了导向套开槽尺寸、导向套筒斜面角度和入口阀座口径的对流量影响，得出导向套开槽尺寸对流量影响不大、套筒斜面角度对流量的影响基本成线性变化、随着入口口径的增加质量流量和轴向力均减小。
　　本文为今后安全阀结构设计的优化奠定了基础，同时也为研究阀腔流动特性对安全阀启闭性能的影响奠定了基础。
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　　（编辑：王 萍）
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