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摘要：基于第三代压水堆核电站主蒸汽安全阀结构，建立了阀门数值计算的CFD模型，计算求得了作用于阀瓣组件上的升力，得到了阀门在全开启高度范围内的升力曲线。结果表明，阀门在全开度范围的介质升力均大于弹簧力，可使阀门在开启后快速达到全开。
关键词：主蒸汽安全阀；升力；数值计算
中图分类号：TH134 文献标识码：A 文章编号：2095-6487 （2018） 01-0045-03
0 引言
安全阀在超压开启过程中，其流道内部的流场变化一直是人们关注的重点[1]。建立安全阀流体动力学模型并进行数值分析是获取安全阀内部流场详细信息的重要手段。通过模型计算可以获取速度、压力分布等具体流场形态，以及排放能力等宏观性能参数，最终对安全阀的结构优化和性能改进提供指导。
第三代CAP1400压水堆核电站用主蒸汽安全阀为弹簧直接加载式安全阀，采用了双排口结构，要求入口压力达到整定值时阀门开启并迅速达到全开。根据阀门的设计结构，作用在阀瓣上的力可分为2组，包括弹簧压紧力和阀瓣组件重力之和，以及工作介质的作用力，即阀门的升力[2]。阀门的开启和关闭是作用在阀瓣组件上2组不同力综合作用的结果。
本文通过建立主蒸汽安全閥的流体动力学模型，采用固定开高的方法[3-4]求解阀门在开启过程中的介质升力，论证阀门快速开启的理论基础，为安全阀的结构优化和性能改进提供指导。分析软件采用ANSYS，使用的模块为CFX和ICEM CFD。
1 分析方法
1.1计算模型
主蒸汽安全阀的流道几何模型见图l。流道结构由阀座、阀瓣组件、上调节圈、下调节圈、导向套以及阀体组成。为了减少计算量，流场区域的固体壁面边界形状进行了简化，忽略了紧定螺钉、疏水孔等对流道的影响，同时也不考虑上调节圈和阀瓣组件之间、下调节圈和阀座之间等配合部件之间的间隙影响。此外，在模型中延长了排放管长度便于分析时软件的收敛。
1.2网格划分
由于整个模型成对称结构，为了减少网格数量提高分析效率，取1/4模型进行有限元分析。采用ICEMCFD模块进行网格划分。根据模型的尺寸定义网格的大小尺寸，并细化密封面等细小结构。网格划分之后，对网格质量进行修复，并降低小尺寸单元网格的数量。
1.3控制方程及边界条件设置
通道流体为过热蒸汽，根据经典流体力学模型，其通用控制方程为：
采用RNG k-ε两方程湍流模型，通用方程中各符号的具体形式见表1。表中，μ、Pr分别为介质的动力粘度与普朗特数；μ为湍流动力粘度，可表示为μt= cupk2/ε。
对模型进行如下边界条件设置：分析介质从材料库选择IAPWS IFsteam5，湍流模型采用K一ε，传热为总能方程；入口设定整定压力8.56MPa，温度320℃，出口根据开度不同，按照阀门出口法兰与阀门开高帘面积的比值，根据介质在释放过程中的等焓原则计算出口压力，设定出口温度。
1.4收敛性判断
收敛性判断的依据：动量、能量方程RMS残差收敛到e-5，在求解收敛残差达到要求是出入口流量要求同时达到平衡。
2 分析结果
2.1 固定开高位置
主蒸汽安全阀的额定开启高度为36mm，在该范围内选取了11个开高位置进行分析计算。各开高位置如表2所示。
2.2速度与压力分布
图2给出了阀门在小开度、全开度下的流线分布。由于阀门的流道变化复杂，导致蒸汽在流动过程中的状态参数变化也变得复杂。从图中可看出，当蒸汽从阀门进口流至阀座和阀瓣围成的密封面区域时，由于流道截面的变小，使得压力变小，而蒸汽的流速则变大；在阀瓣和上调节圈位置向阀门腔体流动的区域，流道截面的突然变大导致流动参数变化也最为激烈，此时压力急剧降低而流速急剧增大，形成一股高速的射流直接冲向阀体壁面，蒸汽流速将超过音速，而音速将出现在临界截面上。
当阀门开高较小时.阀座出口处会产生很大的流阻，远远超过了临界背压力，此时蒸汽的音速流动出现在阀座与阀瓣之间的流场区域，即两密封面之间围成的圆柱侧面成为流场的临界截面。随着开高变大，阀门出口处的压力也在逐渐变小，当开高接近阀门的全开位置时，使得阀门出口处的压力低于临界背压力，因而临界截面逐渐移动至阀座喉口处。此外，随着阀门开度的变大，蒸汽在阀瓣出口的喷射角度也在逐渐由小变大。而该喷射角度可以通过调节导向套上的上调节圈来改变。喷射角度不同，阀瓣组件所受到的升力也不同，可以调整阀门的前泄压力及启闭压差。
2.3 升力结果
ANSYS CFX的后处理可以对流场进行诸如力、压力、温度、速度、流量、质量及马赫数等物理量的直接提取用于流场的特征分析，本文主要关注阀瓣受到的介质升力。在划分网格时，己将阀瓣组件的底面（即与介质接触并随介质上升的面）合并为一个整体，流体分析中获得的该组平面竖直向上力的大小即为阀瓣组件所受的升力大小。此外，通过阀门在不同开高下弹簧的压缩量，可求得阀瓣组件在开启动作过程所受的弹簧力大小。表3为阀瓣升力分析结果。
从表3可以看出，由于弹簧刚度恒定，弹簧力随阀门开高增大呈线性增加，而阀瓣组件所受到的介质升力也呈现单调递增的趋势，且在各开度下介质升力均大于弹簧力。因此阀门在开启后，阀瓣将始终作加速运动，由此表明当阀门达到整定压力后，阀门可以迅速开启。
4 结论
本文采用固定开高的方法，选取1/4流道模型对CAP1400主蒸汽安全阀在不同开启高度下的特征参数进行了模拟分析，获得了阀门在11个不同开高下速度场和压力场，并通过ANSYS CFX的后处理功能提取了阀瓣组件所受的升力，结果表明在不同该升力值恒大于阀瓣所受到的弹簧，通过安全阀阀门的热态性能试验同样证明安全阀在开启后可迅速达到全开，论证了主蒸汽安全阀动作特性的理论基础。
参考文献
[1] 郭崇志，幸莎.安全阀开启过程的瞬态模拟与试验验证[J].高效化学工程学报，2014，28 （2）：376-383.
[2] 陈殿京第五届全国阀门与管道学术会议论文集[C].安徽：中国机械工程学会，2001.
[3] 陈殿京，刘殿坤，董海波，等.安全阀流场数值模拟研究[J]流体机械，2008，36 （10）：24-28.
[4] 骆辉，于新海，王正东.安全阀升力系数试验研究和数值模拟[J].中国科技论文在线，2008，3（8）：587-591
关键词：主蒸汽安全阀；升力；数值计算
中图分类号：TH134 文献标识码：A 文章编号：2095-6487 （2018） 01-0045-03
0 引言
安全阀在超压开启过程中，其流道内部的流场变化一直是人们关注的重点[1]。建立安全阀流体动力学模型并进行数值分析是获取安全阀内部流场详细信息的重要手段。通过模型计算可以获取速度、压力分布等具体流场形态，以及排放能力等宏观性能参数，最终对安全阀的结构优化和性能改进提供指导。
第三代CAP1400压水堆核电站用主蒸汽安全阀为弹簧直接加载式安全阀，采用了双排口结构，要求入口压力达到整定值时阀门开启并迅速达到全开。根据阀门的设计结构，作用在阀瓣上的力可分为2组，包括弹簧压紧力和阀瓣组件重力之和，以及工作介质的作用力，即阀门的升力[2]。阀门的开启和关闭是作用在阀瓣组件上2组不同力综合作用的结果。
本文通过建立主蒸汽安全閥的流体动力学模型，采用固定开高的方法[3-4]求解阀门在开启过程中的介质升力，论证阀门快速开启的理论基础，为安全阀的结构优化和性能改进提供指导。分析软件采用ANSYS，使用的模块为CFX和ICEM CFD。
1 分析方法
1.1计算模型
主蒸汽安全阀的流道几何模型见图l。流道结构由阀座、阀瓣组件、上调节圈、下调节圈、导向套以及阀体组成。为了减少计算量，流场区域的固体壁面边界形状进行了简化，忽略了紧定螺钉、疏水孔等对流道的影响，同时也不考虑上调节圈和阀瓣组件之间、下调节圈和阀座之间等配合部件之间的间隙影响。此外，在模型中延长了排放管长度便于分析时软件的收敛。
1.2网格划分
由于整个模型成对称结构，为了减少网格数量提高分析效率，取1/4模型进行有限元分析。采用ICEMCFD模块进行网格划分。根据模型的尺寸定义网格的大小尺寸，并细化密封面等细小结构。网格划分之后，对网格质量进行修复，并降低小尺寸单元网格的数量。
1.3控制方程及边界条件设置
通道流体为过热蒸汽，根据经典流体力学模型，其通用控制方程为：
采用RNG k-ε两方程湍流模型，通用方程中各符号的具体形式见表1。表中，μ、Pr分别为介质的动力粘度与普朗特数；μ为湍流动力粘度，可表示为μt= cupk2/ε。
对模型进行如下边界条件设置：分析介质从材料库选择IAPWS IFsteam5，湍流模型采用K一ε，传热为总能方程；入口设定整定压力8.56MPa，温度320℃，出口根据开度不同，按照阀门出口法兰与阀门开高帘面积的比值，根据介质在释放过程中的等焓原则计算出口压力，设定出口温度。
1.4收敛性判断
收敛性判断的依据：动量、能量方程RMS残差收敛到e-5，在求解收敛残差达到要求是出入口流量要求同时达到平衡。
2 分析结果
2.1 固定开高位置
主蒸汽安全阀的额定开启高度为36mm，在该范围内选取了11个开高位置进行分析计算。各开高位置如表2所示。
2.2速度与压力分布
图2给出了阀门在小开度、全开度下的流线分布。由于阀门的流道变化复杂，导致蒸汽在流动过程中的状态参数变化也变得复杂。从图中可看出，当蒸汽从阀门进口流至阀座和阀瓣围成的密封面区域时，由于流道截面的变小，使得压力变小，而蒸汽的流速则变大；在阀瓣和上调节圈位置向阀门腔体流动的区域，流道截面的突然变大导致流动参数变化也最为激烈，此时压力急剧降低而流速急剧增大，形成一股高速的射流直接冲向阀体壁面，蒸汽流速将超过音速，而音速将出现在临界截面上。
当阀门开高较小时.阀座出口处会产生很大的流阻，远远超过了临界背压力，此时蒸汽的音速流动出现在阀座与阀瓣之间的流场区域，即两密封面之间围成的圆柱侧面成为流场的临界截面。随着开高变大，阀门出口处的压力也在逐渐变小，当开高接近阀门的全开位置时，使得阀门出口处的压力低于临界背压力，因而临界截面逐渐移动至阀座喉口处。此外，随着阀门开度的变大，蒸汽在阀瓣出口的喷射角度也在逐渐由小变大。而该喷射角度可以通过调节导向套上的上调节圈来改变。喷射角度不同，阀瓣组件所受到的升力也不同，可以调整阀门的前泄压力及启闭压差。
2.3 升力结果
ANSYS CFX的后处理可以对流场进行诸如力、压力、温度、速度、流量、质量及马赫数等物理量的直接提取用于流场的特征分析，本文主要关注阀瓣受到的介质升力。在划分网格时，己将阀瓣组件的底面（即与介质接触并随介质上升的面）合并为一个整体，流体分析中获得的该组平面竖直向上力的大小即为阀瓣组件所受的升力大小。此外，通过阀门在不同开高下弹簧的压缩量，可求得阀瓣组件在开启动作过程所受的弹簧力大小。表3为阀瓣升力分析结果。
从表3可以看出，由于弹簧刚度恒定，弹簧力随阀门开高增大呈线性增加，而阀瓣组件所受到的介质升力也呈现单调递增的趋势，且在各开度下介质升力均大于弹簧力。因此阀门在开启后，阀瓣将始终作加速运动，由此表明当阀门达到整定压力后，阀门可以迅速开启。
4 结论
本文采用固定开高的方法，选取1/4流道模型对CAP1400主蒸汽安全阀在不同开启高度下的特征参数进行了模拟分析，获得了阀门在11个不同开高下速度场和压力场，并通过ANSYS CFX的后处理功能提取了阀瓣组件所受的升力，结果表明在不同该升力值恒大于阀瓣所受到的弹簧，通过安全阀阀门的热态性能试验同样证明安全阀在开启后可迅速达到全开，论证了主蒸汽安全阀动作特性的理论基础。
参考文献
[1] 郭崇志，幸莎.安全阀开启过程的瞬态模拟与试验验证[J].高效化学工程学报，2014，28 （2）：376-383.
[2] 陈殿京第五届全国阀门与管道学术会议论文集[C].安徽：中国机械工程学会，2001.
[3] 陈殿京，刘殿坤，董海波，等.安全阀流场数值模拟研究[J]流体机械，2008，36 （10）：24-28.
[4] 骆辉，于新海，王正东.安全阀升力系数试验研究和数值模拟[J].中国科技论文在线，2008，3（8）：587-591