高温高压核电闸阀流固热耦合分析.pdf

1 6 F LUI D MACHI NERY Vo 1 ． 4 0， No ． 3， 2 01 2 文章编号 1 0 0 5 0 3 2 9 2 0 1 2 0 3 0 0 1 6一 o 5 高温高压核电闸阀流固热耦合分析 刘建瑞， 李昌， 刘亮亮， 向宏杰， 何小可 江苏大学， 江苏镇江 2 1 2 0 1 3 摘要 以高温高压核电闸阀为研究对象， 分析了流固热三场耦合的原理。数值模拟后得到流体的压力、 速度和温度 分布， 以及闸阀的变形和应力分布。通过对闸阀施加载荷， 分析压力和温度对闸阀性能的影响。‘模拟结果显示 ， 流体在 阀座部位产生压力波动， 并在底部产生涡流 ， 流体压力能转换成热能。在不限制闸阀整体 自由变形的情况下 ， 因热产生 的变形较大， 因流体压力产生的应力较大， 热变形能减小闸阀因流体压力作用而产生的应力。 关键词 闸阀； 高温； 高压； 核电； 流固热耦合 中图分类号 T H 1 3 4 文献标识码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 5 0 3 2 9 ． 2 0 1 2 ． 0 3 ． 0 0 4 Fl u i d- s ol i d- h e a t Co upl i ng Ana l y s i s f o r Hi g h- t e m p e r a t u r e a nd Hi 【g h- pr e s s u r e Nuc l e a r Po we r Ga t e Va l v e L I U J i a n r u i ， L I C h a n g ， L I U L i a n g l i a n g ， X I A N G Ho n g i e ，H E X i a o - k e J i a n g s u U n i v e r s i t y ， Z h e i a n g 2 1 2 0 1 3 ，C h i n a Ab s t r a c t A h i g h - t e mp e r a t u r e a n d h i g h p r e s s u r e n u c l e a r p o w e r g a t e v a l v e wa s s t u d i e d ，a n d t h r e e fi e l d c o u p l i n g p r i n c i p l e o f fl u i d - s o l i d h e a t wa s a n aly s e d ．Di s t ri b u ti o n o f fl u i d p r e s s u r e ，v e l o c i t y ，t e mp e r a t u r e ，v alv e d e f o r ma t i o n a n d s t r e s s we r e o b t a i n e d b y n u me ri c al s i mu l a t i o n ．T h e e f f e c t of fl u i d p r e s s u re a n d t e mp e r a t u r e u p o n t h e v alv e wa s a n a l y s e d b y l o a d e d t h e m o n i t ．S i mu l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t t h e p res s u r e of fl u i d fl u c t u a t e s a n d e d a y c u r r e n t g e n e r a t e s i n t h e s e a t a r e a ，t h e p r e s s u r e e n e r g y o f fl u i d t r a n s - f o r ms i n t o h e a t e n e r gy．Wh e n t h e w h o l e f r e e - for m d e f o r ma t i o n o f t h e v a l v e i s u n r e s t r i c t e d，h e a t g e n e r a t e s l a r g e r d e f o r ma t i o n a n d fl u i d p r e s s u r e g e n e r a t e s g r e a t e r s t r e s s ，t h e rm al d e f o rm a t i o n r e d u c e s t h e s t r e s s of the v a l v e u n d e r fl u i d p r e s s u re． Ke y wo r d s g a t e v alv e ；h i g h t e mp e rat u r e ；h i s h p r e s s u r e ；n u c l e a r p o we r ；fl u i d - s o l i d - he a t c o u p l i n g 1 前言 流固热耦合是指在由流体、 固体和温度场组 成 的系统中三者之 间的相互作用 ， 流固热耦合问 题是流 动、 应力、 温度三场 同时存 在时的基本 问 题。流固热耦合问题不仅仅是在流固耦合问题上 附加一个体现温度变化的条件， 而是将体现流体 流动 、 固体变形、 温度场变化的量如流体压力、 固 相质点位移、 绝对温度同时视为基本变量 ， 基本变 量处于平等地位 。在流固热耦合问题 中， 热效应 与流体压力导致固体变形， 固体变形与流体流动 导致温度场变化， 固体变形与热效应导致流动特 性的改变 ， 以上 3种效应是同时发生的。 闸阀主要作为接通或切断管道中的介质用， 即全开或全闭使用- l J 。在核电站 中， 闸阀受到高 温高压流体 的作 用 ， 必然会产 生变形及应力 J 。 为了防止全开时闸阀变形或应力超过许用值而造 成的结构破坏 ， 必须对其进行计算 。由于闸阀工 作时结构的变形很小， 对流体流动状态及温度的 变化影响也很小， 故此处只考虑流体压力及温度 对闸阀结构的影响， 即单向耦合作用。 收稿 日期 2 0 1 1 一o 6 2 7 基金项目 江苏省科技支撑计划项目 B E 2 0 1 0 1 1 6 ； 江苏高校优势学科建设工程资助项 目 2 0 1 2年第 4 o 卷第 3 期 流体机械 1 7 2 耦合场分析原理 2 ． 1 流固耦合计算 流固耦合是指固体在介质载荷作用下会产生 变形或运动 ， 变形或运动又反过来影响介质 ， 从而 改变介质载荷的分布和大小 。 流固耦合的有限元方程为 f A V★B U U七C P七D U EF { G U H 1 C 艿K8P 各系数矩阵由全域各单元相应 的系数矩阵按 统一的方式叠加而成 ， 即 A∑A 。 ， B∑B 。 ， c∑c 。 ， D∑D ， E∑E 。 ， F∑ ， G∑G 。 ， H∑W 式中肘质量矩阵 C阻尼矩阵 刚度矩阵 、P 由全域各节点所组成的列矢量 A 。 质量矩阵 对流矩 阵 C 。 压力矩 阵 损耗矩阵 E 。 、 体积力矩阵 C 。 连续矩阵 边界速度矢量 艿、 艿、 占加速度、 速度 、 结构应力列 向 量 2 ． 2 温度场分析原理 温度场是指在指定 区域 内， 各个部分 的温度 分布情况， 它是各个时刻物体中各点温度分布的 总称 】 。固体与流体本身产生导热现象， 流体与 固体之间将产生对流换热现象， 其原理主要是传 热学中的传热基本定律。 1 热传导微分方程 在笛卡尔坐标系中， 对于导热物体中的任意 点 ， y , z ， 三维非稳态导热微分方程的一般形 式为 O t 未 A O t - y A O t 。 I A J J 啬 A O t 2 式中p密度 ， k g ／ m c p 比热容 ， J ／ k g。 K A导热系数 ， W／ m K 单位体积发热率 2 热对流微分方程 连续性微分方程 o p w ． 0 3 O t O x O y O z 、 运动微分方程 景 一 p g 十 4 O x O c ‘。 能量微分方程 O T aT a T “ T x U y T y “ 一O z 窘 c 5 3 闸阀三维实体模型的建立 闸阀的三维实体模型要能准确地反映结构的 实际情况 ， 同时在保证计算精度的前提下 ， 模型应 尽可能简化 j 。闸阀的承压边界主要包括阀体 、 阀盖和闸板 ， 从力学特性上分析 ， 可以认为阀体 、 阀盖和闸板作为一个整体来承受内压 。因此 ， 在 建立有限元模型时， 将阀体 、 阀盖和闸板作为一个 整体进行建模， 忽略它们之间的连接螺栓。简化 处理一些不影响闸阀总体性能的特征， 忽略一些 不必要的倒角 ， 得到计算模型如图 1 所示 。 图 1 闸阀三维实体模型 1 8 F L U I D MAC HI N ER Y V o 1 ． 4 0， N o ． 3， 2 0 1 2 4 流体流场及温度场分析 4 ． 1流体 流场分 析 采用 A N S Y S Wo r k b e n c h平台中的 C F X对介质 流动状态进行分析 ， 阀体 内部空腔结构复杂 ， 流体 域采用非结构化网格进行离散 ， 划分后得到网格单 元数为 3 0 5 8 8 0 8 _5 曲 J 。对流体进V I 施加 2 5 M P a的 压力及 3 3 O a 【 的温度值， 出口设置o u tl e t ， 相对压力 为0 P a ， 闸阀壁面采用无滑移固壁条件。图 2和图 3所示为设计工况下闸阀内流场对称截面上的静 压及绝对速度分布。 ■ 3 3 3 e o 0 m o 0 譬6 _8 75 00 5 墨 盈 ～ 5 6 3 2 e 0 0 6 _ ● 一 1 ．1 9 5e 0 07 图2 流场对称截面的静压分布 图 3 流场对称截面的绝对速度分布 由图可知， 流体最大静压力为 1 3 ． 3 3 M P a ， 在阀 座部位产生压力波动， 并在底部产生涡流， 这是由 于阀座部位的截面形状相对于管道来说产生了突 变， 导致流体质点之间的相对速度发生变化， 质点 之间互相混杂、 撞击加剧。阀座部位之后静压值明 显下降， 流道壁面处流速减小。闸阀中腔上部的压 降和速度都很小。 4 ． 2流体温度场分析 由于流体的流动速度很快， 其温度下降的趋 势很小。由图 4可知 ， 在流动过程中， 流体的温度 值约为 3 3 0 ℃ 6 0 3 K ， 变化值很小 ， 阀座部位之后 的壁面底部温度值略有升高， 这是 由于此处产生 涡流， 流体压力能转换成热能造成的。 图4 流场对称截面的温度分布 5 闸阀温度场及应力场分析 5 ． 1 闸阀温度场分析 闸阀主要由阀体、 闸板、 阀杆、 阀盖、 填料等部 件组成， 它们均会承受流体的压力和温度载荷。 热源是求解温度场的重要边界条件 ， 闸阀温度场 的热源是流体。 将流体的温度载荷作用在闸阀的内壁面， 外 壁面暴露在空气 中， 对外壁面施加相应的对 流换 热边界条件。计算后得到闸阀的温度场分布如图 5所示 ， 主要承压部件 的温度值均在 3 2 2 3 3 O ℃。 闸阀上部由于距 内壁面较远 ， 温度梯度 比较明显。 图 5 闸阀的温度分布 5 ． 2闸 阀应 力场 分析 为研究流体压力 ， 温度 以及两者的组合各 自 对闸阀的影响， 下面将对其分别进行计算 。 1 将流体压力 载荷作用在 闸阀内壁 ， 对阀 体主通道两端面施加 2 0 MP a的接 管载荷 。考虑 到与阀门所连接的管道比较长， 轴向伸缩量相对 于阀门比较大， 而且管道与阀门通道具有几乎相 同的径 向伸缩量 ， 故对阀门左端面施加无摩擦约 束且固定端面下方的一点。计算后得到图 6所示 ． Ⅳ ～ 2 9 6 2 9 6 3 7 4 0 5 7 2 8 4 5 1 0 2 5 7 0 2 5 8 0 3 3 2 1 O 0 9 8 7 7 6 3 3 3 3 3 2 2 2 2 2 ㈣ ●圜 幽●■I 2 2 2 ， 0 0 0 0 0 0 0 0 O 0 0 e e e e O 8 6 4 0 0 8 ● 4 2 0 2 7 l 7 0 2 l l 5 0 I■ 黼 ■曩甚■■ 2 0 1 2 年第 4 0卷第 3 期 流体机械 1 9 的只有流体压力载荷而没有温度载荷的闸阀变形 图 6 a 及应力图 6 b 。闸阀有沿流体流动方 向 变形 的趋势 ， 最 大变形 为 1 9 1x m， 位 于 阀门 出 口 端。闸阀的最大应力为 1 8 5 ． 2 MP a ， 出现在 闸板与 阀体导向键的配合处， 此处结构复杂， 容易产生应 力集 中。 m 1 ． 94 8 , - ．85 2 e 8 M a O2 4 e 7 ．65 8 e 5 ．1 2 7 e 4 72 8 5 S 2 ．2 79 ．2 9l 8 0l 61 3 ．0 0 08 91 3 Mi a 变形 b 应力 图6 有压力无温度载荷时闸阀变形和应力 2 将 流体 温度载荷作用在 闸阀内壁 ， 接管 载荷及约束条件与 1 相 同， 计 算后得到 图 7所 示的只有流体温度载荷而没有压力载荷的闸阀变 形图 7 a 及应力图 7 b 。闸阀有以固定点为中 心点 向周 围放射状膨胀 的趋势 ， 最大变形 为2 ． 9 mm， 位 于 阀杆顶 端 。闸 阀的最 大 应 力 为6 4 ． 3 9 M P a ， 出现在闸板与阀座的配合处 ， 此处结构受热 后膨胀受到限制， 容易产生应力集中。 3 将介质压力和温度载荷 同时作用在阀门 的内腔壁面， 对其进行单向流 固热耦合计算 ， 接管 载荷及约束条件与 1 相同。计算后得到 阀门在 开启状态的变形及应力分布如图 8所示 ， 阀门最 大变形为约 2 ． 9 m m， 位于阀杆顶端。最大应力为 1 7 3 ． 3 M P a ， 位于闸板与阀体导向键的配合处。 Pa 6 ． 4 3 9e 7 a 变形 b 应 力 图 7 有温度无压力载荷时闸阀变形和应力 0 O2 9 4 9 b l a 0 02 6 21 0 0 22 93 0 0i 9 6 6 O I l 6 3 8 0 0I 3l 0 0 O9 8 2 9 0 0 06 5 5 2 0 0 03 2 7 6 M i n Pa a 变形 b 应力 图8 单向流固热耦合时闸阀变形和应力 9 6 3 7 4 8 1 5 8 2 6 3 ， 8 5 3 0 7 5 2 9 6 2 9 6 3 9 6 3 2 2 2 ● l l 0 0 O n ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ 彻 F I J U I D MAC HI NE RY Vo 1 ． 4 0， No ． 3， 2 0 1 2 6 结 论 1 由于流道截面积在阀座部位产生变化， 流体在此处产生压力波动 ， 并在底部产生涡流 ， 减 小阀座部位流道截面积的变化能减小涡流损失 ； 2 由于流体 的流动速度快 ， 在流经闸 阀的 过程 中温度下 降的趋势很小。阀座部位 产生涡 流 ， 流体压力能转换成热能使壁面底部温度升高 ； 3 在不限制闸阀整体 自由变形的情况下， 与流体压力相比， 因热产生的变形较大， 而应力较 小 ， 热变形能减小闸阀因流体压力而产生的应力。 参考文献 [ 1 ] 陆培文． 阀门设计入门与精通[ M] ． 北京 机械工业 出版社， 2 0 0 9 ． [ 2 ] 张建华， 刘春宇 ， 徐相兰， 等． 高温高压电站平板闸 阀的设计与计算[ J ] ． 阀门， 2 0 1 0 ， 2 1 4． [ 3 ] 王保国． 传热学[ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 2 0 0 9 ． [ 4 ] 安宗文， 权帅峰． 基于 A WE的大口径闸阀阀体强度 分析与结构优化 [ J ] ． 兰州理工大学学报， 2 0 0 9 ， 3 5 2 6 2 - 6 6 ． [ 5 ] 张雪． 水轮发电机流固热耦合仿真分析及通风散热 参数研究[ D] ． 天津 天津大学， 2 0 0 7 ． [ 6 ] H a o Wu ， N o u r e d d i n e B e n s e d d i q ， A b d e l l a t i f I m a d ．F r a c - t u r e t o u g h n e s s p r e d i c t i o n o f a v a l v e b o d y Nu me r i c a l a n a l y s i s [ J ] ． E n g i n e e r i n g F a i l u r e A n aly s i s ，2 0 1 0 ， 1 7 1 1 3 5 - 1 4 2 ． [ 7 ] K a n g D a c h ang ，S u n H o n g y i ，C h e n Y u ，e t a1．R e - s e a r c h o n t h e“ s h e a r - e x t r u s l o n ”p r o c e s s t o f o r m l a r g e - s c a l e c u t - o ff v alv e b o d i e s[ J ] ．J o u r n al o f M a t e ri al s P r o c e s s i n g T e c h n o l o g y ， 2 0 0 1 ， 1 1 7 1 - 2 1 5 - 2 0 ． [ 8 ] 黄建军， 郑源 ， 张盾． 泵闸结构流场的水力特性[ J ] ． 排灌机械工程学报， 2 0 1 0 ， 2 8 2 1 4 9 ． 1 5 4 ． [ 9 ] 娄冬梅， 赵飞． 闸阀阀座外压分析 [ J ] ． 锅炉制造， 2 0 0 9 ， 6 6 3 6 4 ． 作者简介 刘建瑞 1 9 5 2 一 ， 男， 博士生导师， 主要从事流体 机械及工程研究 ， 通讯地址 2 1 2 0 1 3江苏镇 江市学府路 3 0 1号 江 苏大学流体 中心 。 节能减排 制冷空调行业升级与发展国际论坛暨 第六届中国制冷空调行业信息大会征文通知 2 0 1 2年是 中国制冷空调工业协会主办的两 年一届的行业信息大会举办年份， 为了深入贯 彻落实 国务 院关 于印发“ 十二五” 节能减 排综 合性工作方案的通知 的精神， 推动制冷空调行 业节能减排技术 的发展， 增进企业作为落实节 能减排 目标责任 的主体作用， 促进制冷空调行 业可持续 健康 发展 ， 结合 当前 国家及 行业 各方 面的发展现状和形势要求 ， 中国制冷空调工业 协会和 中国设备管理协会决定借 此机会共 同主 办“ 节能减 排 制 冷空 调行业 升级与发 展 国际 论坛 ” ， 论 坛 初 步 定 于 2 0 1 2年下 半 年 暂 定 8 月 举办。大会拟邀请国家发改委、 工信部、 科 技部、 住建部等部委领导 ， 联 合 国环境规划署 和 开发计划署、 工业发展组织、 国内外行业协会学 会以及科研机构和企业界代 表共 同参与这一 盛 大的行业交流活动 。 本次论坛将以“ 节能减排制冷空调行业 升级与发展” 为主题 ， 围绕我 国节能减排 方针政 策和约束性 目标以及国家“ 十二五” 规划确定的 目标和任务开展交流与探讨 ， 深入分析制冷空调 行业在我国节能减排总体形势下的产业发展现 状 ， 交流行业节能减排新技术 、 新产品发展 ， 探讨 行业和企业 如何 围绕 国家产业政策及 “ 十二五” 方针 目标 ， 有 的放矢实施产业结构调整 ， 找寻制冷 空调行业以创新带动产业转型升级发展的技术路 线与方 向， 明确整个行业在国家节能减排事业 以 及 “ 十二五” 规划 目标 的实现过程 中所应承担 的 责任和义务 ， 推动行业沿着政府所提倡的可持续 发展的道路前进 ， 以此实现我国由制冷空调产品 制造大国向制造强国的转变。 本次论坛诚挚邀请行业 内外的专家、 学者和 技术人员为本次论坛撰写论文， 有关论文撰写内 容和要求请登录中国制冷空调工业协会 网站 w w w ． c h i n a c r a a ． o r g 查询， 或与投稿联系人 高 珊 联系， 电话 0 1 0 8 3 5 1 0 0 9 9 6 3 3 。 中国制冷空调工业协会