基于Simerics MP+的核电厂主给水调节阀流量特性数值模拟

陈修高，张 鹏，石 洋，胡服全，王 健

（1.国家电投集团科学技术研究院有限公司,北京 102209；2.国核华清(北京)核电技术研发中心有限公司,北京 102209；3.北京合工仿真技术有限公司,北京 100192）

核电调节阀广泛应用于核电站核岛及常规岛的各个系统中。调节阀性能成为系统性能的组成部分，其中流量特性是核电调节阀最为关注的问题之一。

目前研究核电调节阀性能主要以试验与数值模拟为主。近年来在核电阀门试验研究方面：于海峰等[1]采用试验验证核一级电动截止阀样机的性能，其试验数据表明，阀门满足设计要求；符明海等[2]对ACP1000 核级主蒸汽安全阀的冷态和热态性能进行试验，其结果表明，热态试验比冷态试验更能客观反映阀门在实际工作状态下的性能；文献[3]也表明在条件允许的情况下应进行热态试验，以保证核电站的安全性能；齐晓光等[4]开展了核级电动截止阀的流体阻断试验，验证了开展阀门流体阻断试验的试验方法；穆冠宇[5]对核电厂多级笼式调节阀的布置位置进行试验研究，其结果表明，为不使管道产生破坏性水锤，阀芯需完全布置于浸没水的管道中，布置管段中不能有空气存在；徐斌福等[6]介绍了核级阀门试验系统，该系统可满足不同类型核级阀门产品的功能性试验。在数值模拟研究方面：刘雄伟等[7]利用数值模拟对AP1000 核电中压调节阀所受气动力矩进行数值模拟研究，其模拟结果与工程计算得到的结果基本吻合；Wang 等[8]利用数值模拟研究了迷宫调节阀的迷宫通道，其结果表明，迷宫通道可有效地使压力下降，避免了空化现象的产生；何子昂等[9]通过数值模拟分析阀门内部组件的冲刷损伤；文献[10−11]采用数值模拟对大气释放阀前置隔离阀进行开启特性的研究，其结果可为阀门的设计和改进提供参考；刘立志等[12]对核能装置管路系统截止阀流体激振特性进行了研究，其结果表明直流式截止阀的流体激振特性优于角式截止阀；陈志杰等[13]利用动网格技术研究了核级定压差止回阀的阀瓣运动，其结果与试验结果吻合程度良好；余航等[14]对船用核动力装置止回阀的泄漏问题进行了热流固耦合研究，计算结果可对阀门优化提供帮助；沈国强等[15]对DN100 的核级套筒式调节阀流量特性进行了数值模拟，模拟值与试验值有较好的吻合；文献[16−17]分析阀芯形状对调节阀流量特性的影响，对进一步研究核电站控制阀的流量控制和阀芯的优化设计具有一定的参考；文献[18−19]利用数值模拟和试验相结合的方式研究了DN100 调节阀局部流动参数，其结果可用来开发改进调节阀阀内件设计；祁崇可等[20]采用数值模拟方法研究核级主给水控制阀流道结构，并通过流量试验验证了数值模拟方法的准确性。

在试验研究方面，国内研究者已经取得了一系列成果，但大多都是针对口径较小的阀门或冷态进行试验，对于口径较大的核电阀门（公称尺寸>DN500）一般采用数值模拟的方法研究其内流的流动特征。目前对于核电阀门的流场数值模拟研究基本是采用通用CFD 商业软件如Fluent 等，虽然其基本能达到比较满意的结果，但在阀门的动态研究方面，对于复杂结构的大口径调节阀，动网格技术实现起来较为困难，而将调节阀的行程等分开度进行稳态研究，往往会忽略流量特性的细微特征。为此，本文采用泵阀类专用数值模拟软件Simerics MP+对DN550 的核电主给水调节阀进行流量特性研究，并与目前传统CFD 软件（Fluent 软件）结果进行对比分析。其结果表明，Simerics MP+在阀门动态研究方面具有独特的优势，可为核电调节阀的动态研究提供参考。

1 数值计算理论与方法

为研究调节阀的流量特性，首先建立连续性方程和动量守恒方程，在研究流量特性的过程中不考虑流体介质的热交换，所以不需要求解能量方程。流场数值计算的基本控制方程为：

式中：ρ为流体密度；i,j=1,2,3；ui表示与xi相关联的速度分量；Sm为源项，是从分散的二级相中加入到连续相的质量；p为静压；gi和Fi分别是i方向上的重力和外部体积力；τij为应力张量，由式（3）给出。

在主给水调节阀流量特性的研究中，可以使用许多湍流模型来模拟流场。其中，标准k-ε模型适用范围广，计算成本低，精度合理，是基于湍流动能及其耗散率的输运方程的模型。该模型是从实验现象中总结出来的半经验公式，目前已成为计算流场的主要工具。标准k-ε模型能够在保证结果准确性的基础上，提高计算效率[16]。因此，本文采用标准k-ε湍流模型进行流场数值模拟研究。其控制方程为：

式中：Gk表示由于平均速度梯度而产生的湍流动能；Gb是由于浮力产生的湍流动能；YM表示可压缩湍流中的脉动膨胀对总耗散率的贡献，本文流量系数研究的介质为水，作为不可压缩流体处理，所以可忽略此项的影响。

2 数值模拟几何模型

2.1 三维结构模型

图1 是主给水调节阀的三维结构示意图。图2是调节阀三维流道示意图。为了使阀内流体流动充分均匀以及数值计算结果接近实际情况，根据标准IEC60534-2-3[21]的要求对调节阀进出口两端加长管道。

图1 主给水调节阀结构示意图

图2 主给水调节阀流道示意图

2.2 网格划分

阀芯与套筒之间存在微小间隙0.2mm，在Simerics MP+中可以建立结构化间隙网格，并进行局部加密处理，如图3 所示。在通用CFD 计算中为改善网格质量，并提高计算效率，需要对其间隙和部分结构进行简化处理，采用四面体和六面体的混合网格对计算区域离散，如图4 所示。

图3 Simerics MP+网格划分

图4 通用CFD 网格划分示意图

2.3 网格无关性检验

为了获得较为经济的网格，数值计算前需要进行网格无关性研究，通过比较计算模型的相关物理量随网格密度变化的情况来选择比较精确并且花费时间较少的网格单元数进行数值计算。以阀门全开时为例，边界条件设置为进口压力8MPa（绝压8.1MPa），出口流量4867.1m3/h，计算出口压力。表1 是Simerics MP+网格无关性检验结果。计算结果表明，增加网格数量对计算结果影响已经很小，所以选取方案2。通用CFD 方法的网格划分数量已达到3×106左右，计算结果变化已经很小。

表1 网格无关性检验

2.4 计算方法

在Simerics MP+中设置阀门刚性匀速位移，从全开状态到关闭，用时15s，位移随时间变化如图5所示。Simerics MP+集成有专用的阀门运动模板，无论是阀芯刚性匀速位移，还是阀芯与流体压力等物理量成函数关系的动态运动，都容易实现。通用CFD 软件采用将阀门行程均分为10 个相对开度的方法，每10%开度进行一组流量特性数值试验，分别建立模型划分网格，并进行稳态计算。

图5 Simerics MP+调节阀阀芯位移

流量系数Kv反映了调节阀的流通能力，是调节阀的主要评价指标之一，无论是在调节阀选型还是实际应用中都具有非常重要的作用。本文利用模拟结果来计算调节阀流量系数，从而进行对比分析。根据标准IEC60534-2-3，调节阀的流量系数计算为

式中：利用国际单位制计算时，N1值为0.1；qv是通过调节阀的流量，单位为m3/h；Δp为被测调节阀前后压差，单位为kPa；ρ1为实际工况下流体密度；ρ0为常温条件下的流体密度。

2.5 仿真计算条件

在Simerics MP+和通用CFD 的计算中，边界条件相同，具体如表2 所示。

表2 计算边界条件

计算与试验所用的流体介质一致，为去离子常温水，其物性参数如表3 所示。

表3 流体介质物性参数

3 结果与分析

3.1 定量结果对比

图6 是2 种方法计算结果与试验值的对比曲线图。流量系数曲线是根据相应开度的流量和压差，由式（6）计算得到。由图可知：主给水调节阀相对开度小于70%时，为等百分比流量特性；相对开度大于70%时，接近线性流量特性。由此可见，此主给水调节阀为复合式流量特性。相比通用CFD每10%开度进行一组流量特性数值试验得到的结果，Simerics MP+计算的是调节阀从开启到关闭的全过程，所得到的流量系数特性曲线为连续曲线，更能捕捉到调节阀流量特性细节。

图6 流量特性计算结果对比图

调节阀的试验在国家电投中央研究院牵头研制的压水堆核电厂主给水调节阀试验台架上实施，如图7 所示。由图6 可知，Simerics MP+计算结果与试验值的相对误差更小，更接近真实值。表4 是试验值与Simerics MP+、通用CFD 计算结果具体数值的对比。Simerics MP+的计算结果与试验值的最大相对差值为5.71%，最小相对差值为0.14%，远小于通用CFD 的计算结果，更接近于试验结果。

图7 试验段样机现场图

表4 试验值与Simerics MP+、通用CFD 结果对比

通用CFD 计算，一方面可再对网格进行细化处理，以减小误差，但计算效率会大大降低；另一方面对模型进行的简化处理会使相对误差增大。

3.2 定性结果对比

图8、图9 分别是以主给水调节阀100%开度为例，采用2 种计算方法得到的压力场云图和速度场云图。由图8 可知，在压力场分布方面，两者的计算结果基本吻合，阀门上游处高压，经调节阀套筒窗口处节流降压，压降约为0.518MPa，进口到出口的压力变化较为均匀。

图8 压力云图对比

图9 速度云图对比

由图9 可知，在速度场分布方面，两者计算结果略有不同，表现在阀门下游区域流速分布不一致。阀门上游区域速度变化比较均匀，阀门位置速度变化明显变大，在阀门套筒窗口处区域出现了高流速区，高流速区对阀体产生流体冲击。由于阀门窗口节流处流通面积较小，结构复杂，流体流过窗口时所受阻滞作用较大，导致阀门下腔室压力大，阀门上腔室压力较低，流体流速增大，因而在阀门下腔室节流处和阀门上腔室均形成涡流，且一直影响到阀门出口。

3.3 对比结果分析

通过对比，Simerics MP+计算得到的流量特性曲线能反映更多的流量特性细节。由于其计算的是调节阀开启到关闭的连续过程，Simerics MP+凭借其集成的阀门运动模板对调节阀动态开启或关闭过程的实现比通用CFD 计算的动网格更容易。通用CFD 每10%开度进行一组流量特性数值试验的计算结果会忽略一些细节。

与本文所采用的通用CFD 计算结果相比，Simerics MP+计算结果与试验值的相对误差更小，更接近真实值。通用CFD 可以通过加密网格减小误差，但会降低相应的计算效率。相比来说，Simerics MP+能以相对较少的网格数量获得更高的精确度。

4 结论

本文利用Simerics MP+和通用CFD 仿真数值分析方法对核电厂主给水调节阀的流量特性进行了研究，得到如下结论。

1）主给水调节阀相对开度小于70%时，为等百分比流量特性；相对开度大于70%时，接近线性流量特性。此主给水调节阀为复合式流量特性。

2）从分析结果来看，与本文所采用的通用CFD计算相比，Simerics MP+计算结果与试验值的相对误差更小，最大相对误差值为5.71%，表现更优。

3）通用CFD 可以通过加密网格减小误差，但也会降低其计算效率，相比而言，Simerics MP+能以相对较少的网格数量获得更高的精确度，且在阀门动态研究方面具有易实现的优势。