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象，分析了流固熱三場耦合的原理。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(jié)果顯示，流體在閥座部位產(chǎn)生壓力波動，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、固體和溫度場組成的系統(tǒng)中三者之間的相互作用，流固熱耦合問題是流動、應(yīng)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(xiàn)溫度變化的條件，而是將體現(xiàn)流體流動、固體變形、溫度場變化的量如流體壓力、固相質(zhì)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(yīng)與流體壓力導(dǎo)致固體變形，固體變形與流體流動導(dǎo)致溫度場變化，固體變形與熱效應(yīng)導(dǎo)致流動特性的改變，以上3種效應(yīng)是同時發(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，必然會產(chǎn)生變形及應(yīng)力。為了防止全開時閘閥變形或應(yīng)力超過許用值而造成的結(jié)構(gòu)破壞，必須對其進(jìn)行計算。由于閘閥工作時結(jié)構(gòu)的變形很小，對流體流動狀態(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閘閥結(jié)構(gòu)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(zhì)載荷作用下會產(chǎn)生變形或運動，變形或運動又反過來影響介質(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)點所組成的列矢量；Ae———質(zhì)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(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、溫度場分析原理

　　溫度場是指在指定區(qū)域內(nèi)，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(chǎn)生導(dǎo)熱現(xiàn)象，流體與固體之間將產(chǎn)生對流換熱現(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，對于導(dǎo)熱物體中的任意點(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)熱對流微分方程

　　連續(xù)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(zhǔn)確地反映結(jié)構(gòu)的實際情況，同時在保證計算精度的前提下，模型應(yīng)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(xué)特性上分析，可以認(rèn)為閥體、閥蓋和閘板作為一個整體來承受內(nèi)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(jìn)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(zhì)流動狀態(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(shè)計工況下閘閥內(nèi)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(chǎn)生壓力波動，并在底部產(chǎn)生渦流，這是由于閥座部位的截面形狀相對于管道來說產(chǎn)生了突變，導(dǎo)致流體質(zhì)點之間的相對速度發(fā)生變化，質(zhì)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(chǎn)生渦流，流體壓力能轉(zhuǎn)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(yīng)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(nèi)壁面，外壁面暴露在空氣中，對外壁面施加相應(yīng)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(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(jìn)行計算。

　　(1)將流體壓力載荷作用在閘閥內(nèi)壁，對閥體主通道兩端面施加20MPa的接管載荷�？紤]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(yīng)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(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 有壓力無溫度載荷時閘閥變形和應(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(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 有溫度無壓力載荷時閘閥變形和應(yīng)力

　　(3)將介質(zhì)壓力和溫度載荷同時作用在閥門的內(nèi)腔壁面，對其進(jìn)行單向流固熱耦合計算，接管載荷及約束條件與(1)相同。計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。