船用核动力装置止回阀的流固热耦合研究-中国泵阀制造网

船用核动力装置止回阀的流固热耦合研究

阅读：2890次　日期：2019/07/31

0 引言

止回阀也称逆止阀或单向阀，其作用是防止管路中介质的倒流。在船用核动力装置实际运行过程中，止回阀受到高温高压流体的作用会产生变形及应力，特别是工况变换或事故情况下，流经阀体内部的流体温度、压力、流量会发生较大变化，阀体、阀板和密封件等可能会产生较大的变形及应力，造成各部件间的配合间隙发生变化，可能会使密封结构受损而造成介质外漏，从而导致失水事故的发生。

本文针对核动力装置工况变换时，在冷却剂流量稳定的情况下，研究冷却剂温度的快速变化对止回阀的影响；应用ANSYS有限元分析软件，对止回阀进行流固热多场耦合分析，获得止回阀流场分布、温度场分布、应力分布及变形情况，分析冷却剂温度快速变化对止回阀密封性能的影响，为止回阀的设计优化提供一定的理论基础。

1 研究方法

1.1 分析流程

根据止回阀的实际工况制定了基于ANSYS Workbench平台的流固热耦合分析流程^[1]（图1）：

（1）在三维建模软件SolidWorks中对机械结构以及内部流体域进行实体建模并划分网格。

（2）利用流体力学计算软件Fluent进行流动仿真，同时将机械结构几何模型导入稳态和瞬态热分析模块中求解温度场的分布情况。

（3）将Fluent软件和热分析中得到的仿真结果关联到结构分析模块中，从而将流体域边界层的压力和机械结构的温度分布传递给机械结构作为载荷条件，同时设定相应的约束，求解得到机械结构的变形以及等效应力等情况。

图1 流固热耦合流程图

Fig. 1 Fluid-solid-heat Coupling Flowchart

1.2 几何模型

止回阀主要由阀体、牵引盘、阀盖、阀板、密封压垫、四合环、轴承、扭簧、轴承压盖等组成。阀盖和阀体接触的上部安装锲形密封压垫，防止介质外漏。建立止回阀的三维实体模型时，要能准确地反映结构的实际情况，同时在保证计算精度的前提下，模型应尽可能简化，以提高网格质量且加快仿真收敛^[2]。通过简化处理一些不影响止回阀总体性能的特征，忽略一些不影响流体流动的结构细节后，得到几何模型如图2所示。

图2 止回阀简化几何模型

Fig.2 Simplified Geometric Model of Check Valve

对模型进行流道抽取时，为了使流场计算时流体在阀门处获得湍流充分发展以及减少出口的影响，对阀门的进出口增加一段相同管径的管道，长度分别为管径的3倍和5倍^[3]。止回阀内部结构较复杂，采用适应性强的四面体非结构化网格对其进行网格离散化处理以保证一定的网格质量；两端加长的管道结构简单，可采用结构化网格划分以提高计算效率^[4,5,6]。最终划分的网格如图3所示，共680153个单元。

图3 流道网格划分

Fig.3 Grid Partition of Flow-path

2 计算结果及分析

2.1 流场分析

采用Fluent软件对流场进行分析，结合止回阀的结构特点，采用改造后的标准k~ε湍流模型，仿真介质为不可压缩液态水，入口设置为质量流量入口边界，出口设置为压力出口边界，计算得到止回阀内部流场的分布情况如图4所示。由图4可见，阀板两侧产生了较大的压力差，阀板上下两端处出现了明显的压力波动，在阀板和阀体上部密封面之间的狭窄区域流速剧增，这是由于阀板部位的截面形状相对于管道产生了突变，导致流体流经阀板时相对速度发生明显变化。流体经过阀板后压力明显下降，流速减小。

图4 止回阀流场计算结果

Fig.4 Flow Field Calculation Result of Check Valve

2.2 温度场分析

采用ANSYS Workbench平台的稳态和瞬态热分析模块对止回阀进行热分析。设定各零件的材料属性，阀体内壁面设置初始温度边界条件，外壁面设置自然对流边界条件，计算初始时刻的止回阀的温度分布情况；将稳态热分析结果作为初始条件进行瞬态热分析，阀体内壁面设置随时间变化的温度边界条件。有关研究表明^[7]，在工况变换时止回阀内介质温度在170 s内快速下降，因此重点研究该时间段止回阀的温度场变化。将实时温度与初始温度的比值作为归一化温度值，得到变化曲线如图5所示。

图5 温度变化曲线

Fig.5 Change Curve of Temperature

图6为阀体横截面和密封压垫在170 s时的温度分布情况。由图6可见，靠近阀体内壁部位温度较高，靠近外壁部位接触温度较低的空气，温度低且温度梯度大；密封压垫靠近外部空气，温度梯度较大，其最高温度由初始时刻的120℃降为116℃，温度变化幅度与内壁相比小很多。

2.3 应力及变形分析

将流场分析得到的边界层压力以及瞬态热分析得到的结构温度作为载荷同时传递给止回阀结构，阀门两端设置固定约束，对阀盖顶部的螺栓施加预紧力使密封压垫产生一定的预压缩量，进行瞬态应力和变形分析。图7、图8分别为密封压垫、四合环在170 s时的等效应力分布云图。可以看出密封压垫和四合环的最大等效应力都出现在靠近阀门管道两端的部位，此处接触面积小，且受阀门两端管道固定约束的影响，受热膨胀后挤压严重，因此产生了较大应力。

图9、图10分别为密封压垫、四合环在170 s时的变形分布云图。密封压垫和四合环的最大变形量都位于前后部位，且变形量由下到上递减，这是由于管道左右两端被固定住，阀体前后会产生更大的热变形；密封压垫产生的最大变形量比四合环大，且170 s时密封压垫和四合环分别收缩了8.1%、7.7%，说明温度变化时，密封压垫更容易发生变形和收缩。