高溫高壓核電閘閥流固熱耦合分析

2013-07-13 劉建瑞江蘇大學

　　以高溫高壓核電閘閥為研究對象，分析了流固熱三場耦合的原理。數值模擬后得到流體的壓力、速度和溫度分布，以及閘閥的變形和應力分布。通過對閘閥施加載荷，分析壓力和溫度對閘閥性能的影響。模擬結果顯示，流體在閥座部位產生壓力波動，并在底部產生渦流，流體壓力能轉換成熱能。在不限制閘閥整體自由變形的情況下，因熱產生的變形較大，因流體壓力產生的應力較大，熱變形能減小閘閥因流體壓力作用而產生的應力。

1、前言

　　流固熱耦合是指在由流體、固體和溫度場組成的系統中三者之間的相互作用，流固熱耦合問題是流動、應力、溫度三場同時存在時的基本問題。流固熱耦合問題不僅僅是在流固耦合問題上附加一個體現溫度變化的條件，而是將體現流體流動、固體變形、溫度場變化的量如流體壓力、固相質點位移、絕對溫度同時視為基本變量，基本變量處于平等地位。在流固熱耦合問題中，熱效應與流體壓力導致固體變形，固體變形與流體流動導致溫度場變化，固體變形與熱效應導致流動特性的改變，以上3種效應是同時發生的。

　　閘閥主要作為接通或切斷管道中的介質用，即全開或全閉使用。在核電站中，閘閥受到高溫高壓流體的作用，必然會產生變形及應力。為了防止全開時閘閥變形或應力超過許用值而造成的結構破壞，必須對其進行計算。由于閘閥工作時結構的變形很小，對流體流動狀態及溫度的變化影響也很小，故此處只考慮流體壓力及溫度對閘閥結構的影響，即單向耦合作用。

2、耦合場分析原理

2.1、流固耦合計算

　　流固耦合是指固體在介質載荷作用下會產生變形或運動，變形或運動又反過來影響介質，從而改變介質載荷的分布和大小。

　　流固耦合的有限元方程為：

　　各系數矩陣由全域各單元相應的系數矩陣按統一的方式疊加而成，即：

　　式中 M———質量矩陣；C———阻尼矩陣；K———剛度矩陣；U、P———由全域各節點所組成的列矢量；Ae———質量矩陣；Be———對流矩陣；Ce———壓力矩陣；De———損耗矩陣；Ee、Fe———體積力矩陣；Ge———連續矩陣；He———邊界速度矢量；δ、δ、δ———加速度、速度、結構應力列向量。

2.2、溫度場分析原理

　　溫度場是指在指定區域內，各個部分的溫度分布情況，它是各個時刻物體中各點溫度分布的總稱。固體與流體本身產生導熱現象，流體與固體之間將產生對流換熱現象，其原理主要是傳熱學中的傳熱基本定律。

　　(1)熱傳導微分方程

　　在笛卡爾坐標系中，對于導熱物體中的任意點(x，y，z)，三維非穩態導熱微分方程的一般形式為：

　　式中 ρ———密度，kg/m3；cp———比熱容，J/(kg·K)；λ———導熱系數，W/(m·K)；———單位體積發熱率

　　(2)熱對流微分方程

　　連續性微分方程：

　　運動微分方程：

　　能量微分方程：

3、閘閥三維實體模型的建立

　　閘閥的三維實體模型要能準確地反映結構的實際情況，同時在保證計算精度的前提下，模型應盡可能簡化。閘閥的承壓邊界主要包括閥體、閥蓋和閘板，從力學特性上分析，可以認為閥體、閥蓋和閘板作為一個整體來承受內壓。因此，在建立有限元模型時，將閥體、閥蓋和閘板作為一個整體進行建模，忽略它們之間的連接螺栓。簡化處理一些不影響閘閥總體性能的特征，忽略一些不必要的倒角，得到計算模型如圖1所示。

圖1 閘閥三維實體模型

4、流體流場及溫度場分析

4.1、流體流場分析

　　采用ANSYSWorkbench平臺中的CFX對介質流動狀態進行分析，閥體內部空腔結構復雜，流體域采用非結構化網格進行離散，劃分后得到網格單元數為3058808。對流體進口施加25MPa的壓力及330℃的溫度值，出口設置outlet，相對壓力為0Pa，閘閥壁面采用無滑移固壁條件。圖2和圖3所示為設計工況下閘閥內流場對稱截面上的靜壓及絕對速度分布。

圖2 流場對稱截面的靜壓分布

圖3 流場對稱截面的絕對速度分布

　　由圖可知，流體最大靜壓力為13.33MPa，在閥座部位產生壓力波動，并在底部產生渦流，這是由于閥座部位的截面形狀相對于管道來說產生了突變，導致流體質點之間的相對速度發生變化，質點之間互相混雜、撞擊加劇。閥座部位之后靜壓值明顯下降，流道壁面處流速減小。閘閥中腔上部的壓降和速度都很小。

4.2、流體溫度場分析

　　由于流體的流動速度很快，其溫度下降的趨勢很小。由圖4可知，在流動過程中，流體的溫度值約為330℃(603K)，變化值很小，閥座部位之后的壁面底部溫度值略有升高，這是由于此處產生渦流，流體壓力能轉換成熱能造成的。

圖4 流場對稱截面的溫度分布

5、閘閥溫度場及應力場分析

5.1、閘閥溫度場分析

　　閘閥主要由閥體、閘板、閥桿、閥蓋、填料等部件組成，它們均會承受流體的壓力和溫度載荷。熱源是求解溫度場的重要邊界條件，閘閥溫度場的熱源是流體。

　　將流體的溫度載荷作用在閘閥的內壁面，外壁面暴露在空氣中，對外壁面施加相應的對流換熱邊界條件。計算后得到閘閥的溫度場分布如圖5所示，主要承壓部件的溫度值均在322～330℃。閘閥上部由于距內壁面較遠，溫度梯度比較明顯。

圖5 閘閥的溫度分布

5.2、閘閥應力場分析

　　為研究流體壓力，溫度以及兩者的組合各自對閘閥的影響，下面將對其分別進行計算。

　　(1)將流體壓力載荷作用在閘閥內壁，對閥體主通道兩端面施加20MPa的接管載荷。考慮到與閥門所連接的管道比較長，軸向伸縮量相對于閥門比較大，而且管道與閥門通道具有幾乎相同的徑向伸縮量，故對閥門左端面施加無摩擦約束且固定端面下方的一點。計算后得到圖6所示的只有流體壓力載荷而沒有溫度載荷的閘閥變形圖6(a)及應力圖6(b)。閘閥有沿流體流動方向變形的趨勢，最大變形為19μm，位于閥門出口端。閘閥的最大應力為185.2MPa，出現在閘板與閥體導向鍵的配合處，此處結構復雜，容易產生應力集中。

圖6 有壓力無溫度載荷時閘閥變形和應力

　　(2)將流體溫度載荷作用在閘閥內壁，接管載荷及約束條件與(1)相同，計算后得到圖7所示的只有流體溫度載荷而沒有壓力載荷的閘閥變形圖7(a)及應力圖7(b)。閘閥有以固定點為中心點向周圍放射狀膨脹的趨勢，最大變形為2.9mm，位于閥桿頂端。閘閥的最大應力為64.39MPa，出現在閘板與閥座的配合處，此處結構受熱后膨脹受到限制，容易產生應力集中。