高温高压核电闸阀流固热耦合研究

杨勇 杨雄飞 金慧

摘要：本文将高温高压核电闸阀作为主要研究内容，针对流固热耦合原理进行分析，借助构建的三维模型，了解并掌握流体压力、速度以及温度的具体分布。将适当的荷载力施加给闸阀，以此判定出压力与温度对于闸阀整体功能的影响。

关键词：高温高压;核电闸阀;流固热耦合

前言：核电站中的闸阀极易受到高温高压流体的影响，而发生变形或移动，为了避免闸阀变形现象的出现，同时预防应力过大破坏闸阀整体结构，就需重视闸阀的计算。因闸阀运作时，其结构不会发生较大的形变，也不会对流体温度以及其自身的流动状态造成严重的影响，因此只需研究流体状态与温度对闸阀问结构的影响便可。

1控制方程

开展流固热耦合研究工作时，需分别从流固耦合以及温度场两方面进行研究，在此过程中，涉及到多个研究方程，具体如下：

流固耦合计算：流固耦合指固体在介质荷载的作用下会出现变形，若作用力过大，固体可能发生运动，不论是变形亦或是运动，均会对介质产生影响，致使介质荷载的大小以及分布情况发生改变，流固耦合的有限元方程表示为

各系列矩阵由全域各单元相应系数矩阵依据相同的形式叠加而成：

其中，M、C、K分别为质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵，U与P代表区域内各节点所组成的列矢量，Ae、Be、Ce、De、Ge、He分别表示质量矩阵、对流矩阵、压力矩阵、损耗矩阵、连续矩阵以及边界速度矢量，而Ee（Fe）为体积力矩阵;公式中，分别代表加速度、速度以及结构应力列向量。

明确流固耦合计算方式后，需对温度场相关内容进行研究，研究过程中，需掌握热传导以及热对流方程表达形式。

温度场是在规定范围中各区域的温度分布状况，通常情况下，温度场被认定为不同时间不同物体在指定区域内温度分布的总称。研究发现，流体与固体本身均具有导热的性能，且二者之间可以生成对流换热现象。

热传导：笛卡尔坐标系中，设定某一导热物体的坐标点为（x，y，z），可以将其热传导方程表示为：

其中，ρ表示密度，其单位为kg/m3，cp代表比热容，单位表示为J/（kg·K），λ为导热系数，单位W/（m·K），表示单位体积发热率。

探讨热对流方程时，需从三方面进行综合研究：

2高温高压核电闸阀三维模型

建设三维实体模型时，需保证所构建的模型能够将结构的真实情况进行充分且直观的体现，确保计算结果准确，在此基础上，进一步简化模型。闸阀的承压边界通常由阀体、阀板以及阀盖等元件组成，若以力学的角度进行思考，可以将各部分共同看做成支撑内压的整体。因此，构建有限元模型时，需将阀板、阀体以及阀盖视为一个整体，再开展模型建设工作，对于连接各元件的螺栓可以不体现在模型上。此外，还需对一些不会影响闸阀性能的特征加以简化处理，比如闸阀上的倒角可以忽略[1]。

3流体流场与温度场研究

利用ANSYS Workbench平台中的CFX全面分析介质的流动状态，由于闸阀内部整体结构较为复杂，因此，需使用非结构化网格对流体域进行离散，将离散后的区域进行等规格的划分，完成此项工作后，共得到3058808个网格单元数。将25MPa的压力作用于流体进口处，并将该位置的温度提升至330℃，出口设置outlet，相对压力调至为0，闸阀壁面应用不可移动的固定壁面。依托于上述条件，测量出流程对称截面的速度分布以及静压分布，经测量发现，流体最大静压力值为13.33MPa，闸阀底部受压力作用而引起波动，并在该区域生成涡流，出现这一现象的主要原因是该部位的截面形状与管道整体形状不一致，当流体流经该区域时，流体质点的速度便会发生改变，同时，在流动过程中，各质点之间相互碰撞。紧接着，闸阀底部区域的静压值呈现明显下降趋势，而壁面处的质点流速会随着静压值的下降而不断减小。

因流体流速较快，其温度不易发生变化，当流体质点流动时，温度始终维持在330℃左右，但闸阀座附近的底部温度值呈现上升趋势，不过变化幅度并不明显，且温度升高至相应数值时，基本保持稳定，这是因为该部位会形成涡流，在此期间，流体自身压力转化为热能，随着流体的流动，使温度受到影响。

4闸阀温度场与应力场研究

高温高压核电闸阀一般由闸板、阀体、阀杆等组成，将各构件看做一个整体，当流体质点流动时，该整体便会支撑来自于流体流动产生的压力，同时，还会承受温度载荷。在求解温度场时，最为重要的边界条件是热源，而流体便是闸阀温度场中的热源。

将流体自身所具有的温度荷载施加到閘阀内壁面，使其外壁面直接与空气接触，在此基础上，将相应的对流换热边界条件作用于闸阀外壁面，利用上文提到的各公式，对温度场的边界条件进行计算，以此明确闸阀温度场实际分布。通过对温度场分布情况进行研究可以发现，闸阀负责承压的各构件，其温度值均小于330℃，且不低于322℃，因闸阀上部分区域与内壁面的间距较大，因此，从整体上来看，闸阀不同部位的温度变化较为明显[2]。

为了研究流体压力对高温高压核电闸阀的的影响，可以按照以下流程进行：在闸阀内壁上施加流体压力载荷，同时，将20MPa的压力作用到闸阀阀体主通道两端。由于和阀门相互连接的管道较长，且轴向伸缩量远大于阀门，而阀门通道的径向伸缩量与管道基本一致，基于多种因素的考虑，在阀门左侧设置无摩擦约束并做好固定。采用该种方案测定流体压力对闸阀的影响，可以得到以下研究结论即当只有流体压力荷载，没有温度荷载的情况下，闸阀有沿流体流动方向的最大变形为19μm，其位置在阀门出口处。闸阀最大应力为，位于闸板与阀体导向键的配合处，但该部位的结构较为复杂，极易出现应力集中的问题。

结论

开展核电闸阀流固热耦合研究工作时，依托三维模型，得出两点结论，即因位于闸阀位置的流道截面积会发生变化，使流经该区域的流体在压力的影响下出现波动，且该部位还会产生涡流，通过减小截面积，可以起到降低涡流损耗的作用;因流体流速快，当其流经核电闸阀时，温度不会发生太大的变化，而在闸阀位置生成涡流，这时的流体压力将转化为热能，致使壁面底部温度持续上升。

参考文献：

[1]胡林华，孔备，王伯天，等.多路阀阀芯流固热耦合研究[J].液压与气动，2020（11）：87-92.

[2]李瑞川，张振华，刘延俊，等.滑阀式多路阀流固耦合有限元分析[J].机床与液压，2019，47（19）：109-113.