基于数值模拟的船用核动力装置一回路某调节阀空化特性研究*

李 乔 陈 玲 罗菁栋

（海军工程大学核科学技术学院 武汉 430033）

1 引言

船用核动力装置在运行过程中，其反应堆一回路内的压力和冷却剂的体积不是一成不变的。一回路的压力过高时，除了可以通过稳压器来调节外，还可以通过排出部分冷却剂来实现。在反应堆启堆过程中，通常会采用间歇地排出部分冷却剂的方式来调节一回路内的压力，使之保持在合适的范围之内。

某DN25调节阀在核反应堆一回路系统中起排水降压的作用，其阀门入口与一回路连通，处于高温高压的状态，出口则处于常温常压的状态。在实际的使用过程中，该阀门在使用一段时间后主阀芯和阀座的位置均产生了不同程度的损伤。除了机械的冲击、磨损外，流体的某些流动现象也可能是造成损伤的原因。在对该阀门进行了单相工况下流场特性的数值模拟计算后，在压力云图中出现了大面积的负压区域，这显然是与实际情况是相违背的，当压力出现负值时，必然出现的是由于压力的降低而使得液体汽化，从而猜想在流体的流动过程中，应该产生了空泡，该处的流体应当是气液两相的混合物，而由于计算使用的是单相流模型，才导致了计算结果出现了失真。因而需要进一步研究该阀门内流场的空化特性。

对于阀门内流场的空化现象，吴姿宏［1］等通过实验的方法，利用高速相机对调节阀内的形态进行捕捉，通过图像分析较准确地获得了空化产生的位置、区域及形态变化；Franzoni［2］等使用湍流模型和空化模型耦合的方式，对调节阀进行了数值模拟，获得了阀门内的压力场和速度场，并对阀芯形状对空化与汽蚀的影响进行了探究；Bernad［3］等在对阀门内流场进行单相流动（仅液体）的数值模拟，获得流动特性后，又采用全空化模型对阀门内的空化特性进行了研究；李传君［4］等采用混合物（mixture）模型、Realizable k-ε湍流模型和Schnerr-Sauer 空化模型对调节阀做数值模拟计算，探究了其内部压力及空化的分布状况；刘芳［5］对控制阀内可能出现的闪蒸和空化的原因进行了分析，并阐述了闪蒸和空化造成的危害。

以上的研究均表明在控制阀内流体流动的过程中，空化现象是真是存在的，使用数值模拟计算的方法研究空化特性是可行的。基于此，本文将使用Fluent 中的两相流及空化模型来对阀门内部流场中的空化现象进行数值模拟分析，研究阀门内流场的空化特性，为阀门的结构优化和分析损伤机理提供参考。

2 空化现象

空化是一种涉及湍流脉动、多相流、可压缩和非定常特性的复杂流动现象，在阀门内部流场中的空化现象，其本质就是在流体通过过流断面前后，由于流体的瞬间加速而导致局部静压降低，当静压低于当时温度下的流体饱和蒸汽压时，流体中的气核将发展成为空泡，即流体发生汽化，而当压力再次升高时，空泡则溃灭［6～7］。

DN25型调节阀的工作条件如表1，在进行单相流的稳态数值模拟时，模型的边界条件设置为入口温度120℃，入口压力为8MPa，出口常温常压，入口为压力入口，出口为压力出口。在阀门关闭状态下，入口段流体稳定在8MPa左右，阀芯密封面至出口段此时的压强为常压，即标准大气压，由于阀体为金属材料，为热的良导体，故而整个阀门温度均在120℃左右。

表1 DN25型调节阀工作条件

该型阀门为先导式阀，开启时，辅阀先打开，此时入口段高压流体通过辅阀小孔进入到出口段阀腔，用以平衡两侧的压力，以便于主阀芯的开启。辅阀开启的瞬间，高压的流体通过小孔，进入到常压区域，此时流体温度仍为进口温度120℃，而压强的瞬间降低，会导致流体瞬间汽化，因此在辅阀的开启瞬间，流过辅阀小孔的介质应当是高速的气液混合物。辅阀开启后，阀腔两侧的压力趋于平衡，在外力作用下，带动阀杆打开主阀。在主阀瓣打开到位后，流体则几乎全部经由主阀口流出。根据该阀门的说明书，该阀门的启动时间约0.5s，几乎在瞬间完成，此时出口段阀腔的压强并不能达到入口的压力，仍存在较大的压降，因此在刚开启的一段时间，流经阀口的仍然是气液两相的介质。当一段时间后，流动趋于稳定时，由于阀口处过流断面远小于入口，导致该处流体处于一个较高流速的状态，高流速必然使得此处流场的静压降低，该阀门流通介质为水，120℃时水的饱和蒸气压约为0.198MPa，当流场的静压低于此压力时，水将会开始汽化，从而形成空泡。

以上的分析表明，一是在该工况条件下进行数值模拟时，由于存在气液两相，必须采用两相流模型，使用单相流进行数值模拟计算是不合适的，计算结果是有偏差的。二是在该工况下，阀门内部的流场有极大的可能会产生空化现象，由于空化现象振动噪声或者汽蚀有较大的可能会造成部件损伤，因此在通过数值模拟分析该阀内部的流场特征进而分析损伤机理时，应当选择两相流模型，并打开空化模型［8］，重点对阀门内部流场中的空化现象进行数值模拟分析，研究阀门内流场的空化特性。

3 数值模拟

3.1 几何模型

简化后的阀门结构部分模型如图1 所示，流体域简化模型如图2 所示，其中阀门入口出口直径为25mm，阀腔入口缩小为20mm，阀腔出口段直径也为20mm，阀口直径20mm，主阀芯动作距离最大为8mm。

图1 DN25调节阀简化模型

由于阀门开启时辅阀先行打开，此时主阀依旧处于关闭状态，因此在流场抽取时，单独建立一个辅阀打开，流体仅通过小孔时的流场模型；在主阀打开与关闭的过程中，由于此时能够通过辅阀小孔流出的流体流量已经及其微小，故认为整个过程只有主阀动作，流体不再通过辅阀小孔，流场模型得到简化。

图2 简化流场模型

3.2 网格划分

基于简化后的几何模型，抽取流体域后，进行网格的划分，本文旨在研究阀芯与阀口附近的空化现象，故重点研究区域为阀口附近的流体域，故在此处对网格进行加密处理。考虑网格尺寸可能会对计算精度产生影响，且受限于模型的尺寸及复杂程度，选取了45 万网格、73 万网格、96 万网格、222万网格四种情况进行了预计算，考虑到空化产生的本质是由于速度增大引起的压强降低，故选择过流断面处的流速作为表征，通过计算，发现73 万网格与96万网格和222万网格情况下，阀芯阀口间过流断面处的流体速度基本接近，考虑计算效率，故选取73 万网格的划分方案作为最终计算的网格划分方案。网格划分情况如图3所示。

图3 网格划分情况

3.3 计算模型

由于是对水的空化现象做模拟计算，因而多相流模型选用混合物模型（mixture），空化模型则选择Zwart-Gerber-Belamari 模型，该模型在前人模型的基础之上，提出在汽化的过程中，由于蒸汽的体积分数要增加伴随着蒸汽核位置的密度的相应减小，因而对质量空化率方程中的蒸汽的体积分数项做了修正［9］，气相体积分数定义为

式中n 为气泡数密度，Rb为气泡半径，改进后得到传质源项的表达式为

式中m+表示蒸发过程传质源项，m-表示凝结过程传质源项，Cvap和Ccond分别为传质源项的蒸发相和凝结相系数，αnuc为气核体积分数，Rb为气泡半径，p为环境压力，pv为饱和蒸气压（空化临界压力），ρl为液相密度［10］。

由流场几何模型可看出阀内流体的流动应是典型的湍流，故选择基于时均N-S雷诺方程物理模型的Realizable k-ε湍流模型，近壁面函数选择标准壁面函数［4］，该湍流模型计算相对准确且具有较好的收敛性，且占用计算资源较少，适用性相对较好［11］。Realizable k-ε模型是在标准k-ε模型基础上改进获得的［12］，模型的湍流动能方程与耗散率方程［13］如下。

湍流动能方程（k方程）：

式中，μt表示湍流粘度，计算表达式为

Gk为平均速度梯度引起的湍动能产生项，σk和σε分别是与湍动能k 和耗散率ε对应的普朗特数，Sk与Sε为用户自定义源项，Gb为由浮力引起的湍动能产生项，YM为可压湍流中的脉动扩张项，C1ε、C3ε是 常 数，其 中，修正后的湍流粘度系数表达式为

3.4 参数及边界条件设置

虽然阀门的启闭是一个动态的过程，但实验表明，在研究阀门启闭过程中的空化特性时，稳态计算和瞬态计算均能模拟出空化现象的产生，且产生的位置基本一致，只是在气体体积分数以及剧烈程度上会有一定的差别。由于本文旨在研究在特定工况下是否会产生空化及确定空化出现的大致位置，对于气体体积分数的精度要求不高，因而选择指定阀门的几个特定阀芯行程做稳态计算，本文选择阀门阀芯行程为1.5mm、3mm、6mm、8mm 以及仅辅阀打开5种情况做稳态计算。

阀门的入口与出口均设为压力边界，边界条件如表2。

表2 边界条件

在温度为393.15K 时，阀门内流体的主要物性参数如表3所示。

表3 流体物性参数

4 结果与分析

4.1 压力分布与速度场

图4 为在各阀芯行程下阀芯与阀口附近流场的压力云图，当阀芯行程为1.5mm 时，此时阀芯与阀口之间的过流断面非常小，在图示的圆圈处存在非常高的压降，此时流体以高速射流的形式流过间隙，可以看到最高速度达到了150m∕s，由于流体的速度突然增大，根据伯努利方程可以推断在该区域附近应伴随着压强的快速降低，事实上在压力云图中可以看到，在阀芯边缘部位出现了小范围的，在云图上显示为蓝色的低压区域。

当阀芯行程为3mm 时，阀芯阀口间过流断面处的压降依然很大，速度矢量图显示，在靠近阀门入口的一侧出现了最大流速，依然达到了接近150 m∕s，而在另一侧即图4（b）中右边圆圈位置，流体流速较右侧低一些，最大接近130m∕s，相应地在这两处附近均出现了明显的低压区域。

图4 不同阀芯行程下的压力云图

当阀芯行程为6mm 和8mm 时，阀芯阀口附近的压力分布逐渐趋于均匀，不再出现明显的低压区域，随着阀芯行程增大，过流断面加大，流速有所降低，最高流速分别降到了130m∕s 和110m∕s 左右，且流动基本趋于稳定，速度分布相对均匀。

阀芯行程为0，仅辅阀打开时，在辅阀小口的入口处存在较大压降，流体呈现高速射流的状态通过辅阀小孔，速度较大，但实际上流量很小。

图5 速度矢量图

4.2 空化区域

对压力和速度分布的分析可以看出，在阀门开启与关闭瞬间，阀芯的行程较小时，阀芯与阀口附近均出现了压力显著降低的区域，根据前文所述空化现象产生的条件，在这些低压区时极有可能产生空化现象，使用fluent 的两相流空化模型对阀门内流场进行数值模拟计算，得到了如图6 所示的结果。

图6 各阀芯行程下气相体积分数云图

在1.5mm 阀芯行程时，阀门刚刚开始打开或者马上就要封闭，此时在通过阀芯与阀座间隙的高速射流的作用下，周围流体静压降低，因而在射流的周围出现了非常强的空化，气相的体积分数较大，部分区域甚至完全处于气相状态；3mm 阀芯行程时，流速有所降低，流体流量逐渐变大，此时空化区域相比1.5mm阀芯行程时显著缩小，空化区域如图6（b）圆圈处所示，对应图4（b）中的低压区域，且该区域气相体积分数显著减小，表明此处的流体为气液两相的混合物。当阀芯行程达到6mm 时，空化区域的范围进一步缩减，仅剩如图6（c）圆圈所示的靠近阀口壁面处的一小块区域，且气相体积分数进一步减小至最大50%～60%左右；当阀芯行程8mm即阀门完全开启状态时，流动基本稳定，此时在云图中不再有明显的空化区域，整个流体区域的气体体积分数趋于0。在仅辅阀打开时，其流动特性类似于喷管，在辅阀小孔出口处压强陡降，出现强空化区域，部分区域完全处于气相状态；在小孔的入口处及壁面上亦表现出空化，气相体积分数在50%～70%之间，表明在此瞬间由小孔中喷出的流体也是气液两相的混合物。

5 结语

1）由于DN25型调节阀工作条件下出入口之间的压差极大，因而在阀门的启闭瞬间，阀芯与阀口之间过流断面附近会出现空化现象。此位置靠近阀芯密封面，此处的空化引起的振动噪声或者汽蚀可能会导致该处结构的疲劳与损伤，导致密封面失效，造成不良后果。

2）空化现象的剧烈程度会随着阀芯行程的减小而加剧，当阀门全开稳定流动时，空化基本不会产生；在阀门启闭瞬间阀芯行程较小时，空化现象明显。

3）空化区域出现的位置与该区域与阀门入口的相对位置有关，靠近入口的位置空化区域出现在阀芯壁面附近的位置，而远离入口的位置空化区域出现在了阀口壁面附近的位置。

4）本文限于计算资源，采用稳态计算的方式来模拟瞬态的现象，只能定性地分析是否产生了空化，确定空化区域的大体位置，不能准确的对空化现象做定量分析，后续要想精准确定空化产生位置，以及分析空化现象对结构寿命产生的影响，需要对阀门的启闭过程做瞬态计算，准确模拟阀门启闭的动作过程。