比例喷雾阀流量特性实验研究

王宗永，卢佳鑫，周 杰

(哈尔滨工程大学 核科学与技术学院，哈尔滨 150001)

随着国家能源结构的调整，核电在我国能源中所占的比重势必会越来越多，杨桓[1]等人的报告显示：百万千瓦功率的二代加核电站中各类阀门一共使用的数量多达数万个，因此阀门是整个核电站工质流动回路中的重要组成部分.压水堆系统中，稳压器是对一回路进行压力控制和超压保护的重要设备[2-8].而比例喷雾阀是稳压器主喷淋管线上最重要的设备，也是惟一的核安全1级控制阀[9-11].其流动特性是其最重要的指标.研究阀门流量特性的方法一般有两种，分别是实验研究和仿真模拟.

实验法准确但耗费较大，仿真模拟耗费较少但往往与真实存在一定偏差.因此在一定实验基础上进行仿真成为了一种很普遍的方法，在保证准确性的基础上又可以减少花费.

孙晓[12]等人通过仿真模拟的方法研究了一止回阀的工作过程，发现阀门里介质的流动特性可以通过改变阀芯与阀瓣的结构来得到有效改善.设计了一个可以使水流分层效果减少，减弱射流和涡流现象的新结构.并通过实验的方法对优化结果进行了验证.杨华[13]等人为了研究供热管路中阀门的实际流量特性对管路的工作效果的影响，设计搭建了仿真试验台对供热管路中常用的几种阀门进行了实验.运用FLOMASTER进行建模，对管路中的流量分配进行了模拟计算.结果表明仿真模拟具有较高的准确性.Zhu Shen-Bin[14]等人为了研究阀门内部较弱的泄漏，提出使用卷积神经网络(CNN)来识别阀门内部泄漏，以多种工作条件下内部泄漏和无泄漏信号的功率谱密度图像为输入.实验结果显示，提出的模型能够有效识别内部泄漏或非泄漏信号，最大误差小于3%，可作为阀门泄漏诊断的一种新方法.

以上等人使用仿真与实验相结合的研究方法在研究阀门相关的问题时取得了较好的结果，说明了此种研究方法的有效性，本文使用此种方法研究阀门的流量特性.

1 研究对象

本次所研究的比例喷雾阀为角式单座调节阀，实验过程中通过调节其上方的手轮来调节该比例喷雾阀的开度来调节流量.其整体结构如图1.

图1 阀门结构图

2 实验研究

本文依据JB/T5296-1991《通用阀门 流量系数和流阻系数的试验方法》[15]设计并进行实验.

2.1 实验的目的和阀门调节范围

实验的目的是研究现有阀门的流量特性，正式实验开始前需首先测定阀门的有效调节范围.实验测得阀门的有效开度为720°.因此定义开度720°为阀门全开，并以此进行实验.

图2所示即为本次实验的实验装置的简化流程图.

1—水箱；2—泵；3—节流阀；4—流量计；5—温度计；6—差压计；7—实验阀；8—调节阀

进行实验时，实验阀上游的节流阀用于限制泵出口的压头，实验阀下游的调节阀则用于调节实验阀两端的压差.两个阀门相互配合使实验阀两端的压差为固定值，之后记录相应开度下的流量完成实验.

2.2 实验结果

图3所示为阀门在不同压差下的固有流量特性曲线.该阀门的流量特性曲线呈上突形状，可归类为快开式流量特性.不同压差下的流量特性是不完全重合的特性曲线.分析流量特性曲线中间区段的平缓过渡区则是由阀芯的阶梯状结构所导致的.

图3 实验流量特性曲线

3 仿真研究

3.1 流道模型的建立与网格划分

使用Solidworks对图1所示的阀门进行开度由0.1、0.2、……1共10个流道的建模.之后将模型另存.step文件，再导入ansys自带的Icem进行非结构化网格的划分，并对阀芯所在腔室及出口流道进行局部加密来提高仿真模拟的精度.所得网格质量均大于0.3，满足仿真计算的基本要求.

不同开度的网格模型在Fluent中用相同的边界条件如湍流模型、介质属性、算法等进行仿真计算.设置液态水的密度为998.2 kg/m3，湍流模型选择标准k-ε模型.管道入口设为压力入口，出口设置为压力出口，且两者压力差为100 kPa，湍流强度设为5%，水力直径是8 mm.仿真的求解采用SIMPLE算法，使用的梯度插值方法为最小二乘法，二阶压力插值法.仿真计算要求进出口流量相同，且不随着计算步骤的增加而变化.以此边界条件进行网格无关性验证和后续的仿真.见表1.

表1 网格无关性验证结果

3.2 仿真与实验对比分析

图4所示实验所得的流量特性图像与仿真计算所得的流量特性曲线存在一定差异.经过拆解阀门可得此差异为实际阀芯尺寸与阀芯图纸尺寸不同所导致的.不同之处如下：

图4 实验与仿真对比

1)实际阀芯表面毛刺和划痕现象较多.

2)实际阀芯的圆柱与圆台过度处有内凹现象.

3)阀芯顶部圆柱长度实测为3.2 mm,而图纸上该圆柱的高度仅为1 mm，且该圆柱的不同高度处直径不同.

4)实测阀座上流道的直径为7.2 mm，而图纸上为6.4 mm.

依据以上几处实际与图纸尺寸的不同重新进行建模和仿真计算.改进模拟和依据图纸尺寸建模进行的模拟结果与实验结果相比的误差如图5所示.可知改进后仿真的误差较改进前明显缩小，且二者误差曲线的趋势基本一致，分析可知，20%开度与50%开度之间的较大误差是由圆柱与圆台连接处圆柱的内凹导致的.

图5 改进前后误差

由图5分析可知，依据对阀芯的实测尺寸建模并进行仿真的结果与实验值的匹配度要明显优于依据图纸尺寸进行的仿真计算.虽然改进后的仿真仍与实验值有一定差异，但考虑到实际阀芯表面的划痕、毛刺和圆柱的内凹等现象，此差异在接受范围内.

4 结 语

本文通过设计并搭建了试验台研究角式单座比例喷雾阀的流量特性，并使用Fluent等软件进行仿真研究.由实验与仿真结果可知：

1)现有阀门的实验固有流量特性不是标准的快开式流量特性,其不同压差下的流量特性曲线为不完全重合的曲线;2)流量特性曲线变化平缓区段与误差较大区域重合，分析此变化趋势是由圆柱在与圆台的连接处的内凹所致.此内凹导致此区段的流动阻力先变小后变大，从而导致误差先变大再变小，两者相符;3)局部较大误差是实际阀芯尺寸的微小变化而引起的，可以预计尺寸的微小变化导致的误差会随着特征尺寸的减小而增大.因此小尺寸阀门的加工过程应保证足够的加工精度以实现阀门的设计流量特性.