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(xué)

　　以高溫高壓核電閘閥為研究對(duì)象，分析了流固熱三場(chǎng)耦合的原理。數(shù)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(yīng)力分布。通過(guò)對(duì)閘閥施加載荷，分析壓力和溫度對(duì)閘閥性能的影響。模擬結(jié)果顯示，流體在閥座部位產(chǎn)生壓力波動(dòng)，并在底部產(chǎn)生渦流，流體壓力能轉(zhuǎn)換成熱能。在不限制閘閥整體自由變形的情況下，因熱產(chǎn)生的變形較大，因流體壓力產(chǎn)生的應(yīng)力較大，熱變形能減小閘閥因流體壓力作用而產(chǎn)生的應(yīng)力。

1、前言

　　流固熱耦合是指在由流體、固體和溫度場(chǎng)組成的系統(tǒng)中三者之間的相互作用，流固熱耦合問(wèn)題是流動(dòng)、應(yīng)力、溫度三場(chǎng)同時(shí)存在時(shí)的基本問(wèn)題。流固熱耦合問(wèn)題不僅僅是在流固耦合問(wèn)題上附加一個(gè)體現(xiàn)溫度變化的條件，而是將體現(xiàn)流體流動(dòng)、固體變形、溫度場(chǎng)變化的量如流體壓力、固相質(zhì)點(diǎn)位移、絕對(duì)溫度同時(shí)視為基本變量，基本變量處于平等地位。在流固熱耦合問(wèn)題中，熱效應(yīng)與流體壓力導(dǎo)致固體變形，固體變形與流體流動(dòng)導(dǎo)致溫度場(chǎng)變化，固體變形與熱效應(yīng)導(dǎo)致流動(dòng)特性的改變，以上3種效應(yīng)是同時(shí)發(fā)生的。

　　閘閥主要作為接通或切斷管道中的介質(zhì)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(huì)產(chǎn)生變形及應(yīng)力。為了防止全開時(shí)閘閥變形或應(yīng)力超過(guò)許用值而造成的結(jié)構(gòu)破壞，必須對(duì)其進(jìn)行計(jì)算。由于閘閥工作時(shí)結(jié)構(gòu)的變形很小，對(duì)流體流動(dòng)狀態(tài)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(duì)閘閥結(jié)構(gòu)的影響，即單向耦合作用。

2、耦合場(chǎng)分析原理

2.1、流固耦合計(jì)算

　　流固耦合是指固體在介質(zhì)載荷作用下會(huì)產(chǎn)生變形或運(yùn)動(dòng)，變形或運(yùn)動(dòng)又反過(guò)來(lái)影響介質(zhì)，從而改變介質(zhì)載荷的分布和大小。

　　流固耦合的有限元方程為：

　　各系數(shù)矩陣由全域各單元相應(yīng)的系數(shù)矩陣按統(tǒng)一的方式疊加而成，即：

　　式中 M———質(zhì)量矩陣；C———阻尼矩陣；K———剛度矩陣；U、P———由全域各節(jié)點(diǎn)所組成的列矢量；Ae———質(zhì)量矩陣；Be———對(duì)流矩陣；Ce———壓力矩陣；De———損耗矩陣；Ee、Fe———體積力矩陣；Ge———連續(xù)矩陣；He———邊界速度矢量；δ、δ、δ———加速度、速度、結(jié)構(gòu)應(yīng)力列向量。

2.2、溫度場(chǎng)分析原理

　　溫度場(chǎng)是指在指定區(qū)域內(nèi)，各個(gè)部分的溫度分布情況，它是各個(gè)時(shí)刻物體中各點(diǎn)溫度分布的總稱。固體與流體本身產(chǎn)生導(dǎo)熱現(xiàn)象，流體與固體之間將產(chǎn)生對(duì)流換熱現(xiàn)象，其原理主要是傳熱學(xué)中的傳熱基本定律。

　　(1)熱傳導(dǎo)微分方程

　　在笛卡爾坐標(biāo)系中，對(duì)于導(dǎo)熱物體中的任意點(diǎn)(x，y，z)，三維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)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(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；———單位體積發(fā)熱率

　　(2)熱對(duì)流微分方程

　　連續(xù)性微分方程：

　　運(yùn)動(dòng)微分方程：

　　能量微分方程：

3、閘閥三維實(shí)體模型的建立

　　閘閥的三維實(shí)體模型要能準(zhǔn)確地反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況，同時(shí)在保證計(jì)算精度的前提下，模型應(yīng)盡可能簡(jiǎn)化。閘閥的承壓邊界主要包括閥體、閥蓋和閘板，從力學(xué)特性上分析，可以認(rèn)為閥體、閥蓋和閘板作為一個(gè)整體來(lái)承受內(nèi)壓。因此，在建立有限元模型時(shí)，將閥體、閥蓋和閘板作為一個(gè)整體進(jìn)行建模，忽略它們之間的連接螺栓。簡(jiǎn)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(jì)算模型如圖1所示。

圖1 閘閥三維實(shí)體模型

4、流體流場(chǎng)及溫度場(chǎng)分析

4.1、流體流場(chǎng)分析

　　采用ANSYSWorkbench平臺(tái)中的CFX對(duì)介質(zhì)流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行分析，閥體內(nèi)部空腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，流體域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行離散，劃分后得到網(wǎng)格單元數(shù)為3058808。對(duì)流體進(jìn)口施加25MPa的壓力及330℃的溫度值，出口設(shè)置outlet，相對(duì)壓力為0Pa，閘閥壁面采用無(wú)滑移固壁條件。圖2和圖3所示為設(shè)計(jì)工況下閘閥內(nèi)流場(chǎng)對(duì)稱截面上的靜壓及絕對(duì)速度分布。

圖2 流場(chǎng)對(duì)稱截面的靜壓分布

圖3 流場(chǎng)對(duì)稱截面的絕對(duì)速度分布

　　由圖可知，流體最大靜壓力為13.33MPa，在閥座部位產(chǎn)生壓力波動(dòng)，并在底部產(chǎn)生渦流，這是由于閥座部位的截面形狀相對(duì)于管道來(lái)說(shuō)產(chǎn)生了突變，導(dǎo)致流體質(zhì)點(diǎn)之間的相對(duì)速度發(fā)生變化，質(zhì)點(diǎn)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(chǎng)分析

　　由于流體的流動(dòng)速度很快，其溫度下降的趨勢(shì)很小。由圖4可知，在流動(dòng)過(guò)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(chǎn)生渦流，流體壓力能轉(zhuǎn)換成熱能造成的。

圖4 流場(chǎng)對(duì)稱截面的溫度分布

5、閘閥溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)分析

5.1、閘閥溫度場(chǎng)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(huì)承受流體的壓力和溫度載荷。熱源是求解溫度場(chǎng)的重要邊界條件，閘閥溫度場(chǎng)的熱源是流體。

　　將流體的溫度載荷作用在閘閥的內(nèi)壁面，外壁面暴露在空氣中，對(duì)外壁面施加相應(yīng)的對(duì)流換熱邊界條件。計(jì)算后得到閘閥的溫度場(chǎng)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(nèi)壁面較遠(yuǎn)，溫度梯度比較明顯。

圖5 閘閥的溫度分布

5.2、閘閥應(yīng)力場(chǎng)分析

　　為研究流體壓力，溫度以及兩者的組合各自對(duì)閘閥的影響，下面將對(duì)其分別進(jìn)行計(jì)算。

　　(1)將流體壓力載荷作用在閘閥內(nèi)壁，對(duì)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(zhǎng)，軸向伸縮量相對(duì)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(duì)閥門左端面施加無(wú)摩擦約束且固定端面下方的一點(diǎn)。計(jì)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(yīng)力圖6(b)。閘閥有沿流體流動(dòng)方向變形的趨勢(shì)，最大變形為19μm，位于閥門出口端。閘閥的最大應(yīng)力為185.2MPa，出現(xiàn)在閘板與閥體導(dǎo)向鍵的配合處，此處結(jié)構(gòu)復(fù)雜，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中。

圖6 有壓力無(wú)溫度載荷時(shí)閘閥變形和應(yīng)力

　　(2)將流體溫度載荷作用在閘閥內(nèi)壁，接管載荷及約束條件與(1)相同，計(jì)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(yīng)力圖7(b)。閘閥有以固定點(diǎn)為中心點(diǎn)向周圍放射狀膨脹的趨勢(shì)，最大變形為2.9mm，位于閥桿頂端。閘閥的最大應(yīng)力為64.39MPa，出現(xiàn)在閘板與閥座的配合處，此處結(jié)構(gòu)受熱后膨脹受到限制，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中。

圖7 有溫度無(wú)壓力載荷時(shí)閘閥變形和應(yīng)力

　　(3)將介質(zhì)壓力和溫度載荷同時(shí)作用在閥門的內(nèi)腔壁面，對(duì)其進(jìn)行單向流固熱耦合計(jì)算，接管載荷及約束條件與(1)相同。計(jì)算后得到閥門在開啟狀態(tài)的變形及應(yīng)力分布如圖8所示，閥門最大變形為約2.9mm，位于閥桿頂端。最大應(yīng)力為173.3MPa，位于閘板與閥體導(dǎo)向鍵的配合處。