稳压器喷雾阀的流量特性和流通面积计算

杨佳明 高志新， 李军业 钱锦远 金志江

（1.浙江大学化工机械研究所；2.中核苏阀科技实业股份有限公司）

稳压器喷雾阀是反应堆冷却剂系统压力控制的重要设备之一，位于一回路稳压器喷淋系统中，其进口与反应堆冷段相连，出口与稳压器相连，利用冷段与稳压器的压差形成介质流，其流量随稳压器压力的变化而变化［1］。此外，由于稳压器喷雾阀所处工况恶劣，对其结构、寿命、流通能力和密封性能都提出了更高的要求，这些都增加了稳压器喷雾阀的设计和制造难度。

稳压器喷雾阀的结构主要有套筒式和V 型球阀式［2］，套筒式的流阻较大、流通能力弱、行程长。 在口径较小和额定流量要求不高的场合下，套筒式稳压器喷雾阀是较为经济的选择。 与套筒式相比，V 型球阀式的流道呈直通型， 因此其流阻更低、流通能力更强、结构更简单，适用于大口径和额定流量要求高的场合［3］。目前，在我国压水堆核电站中，V 型球阀式稳压器喷雾阀的应用更为广泛。

稳压器喷雾阀进出口压差较小、 可调比较大， 因此对其流动特性进行研究显得尤为重要。Merati P 等采用试验和数值模拟相结合的方法，研究了V 型球阀内涡的分布情况和涡脱落行为，发现在阀门下游管道存在较大的涡［4］。 Chern M J等采用试验和数值模拟相结合的方法，研究了V型球阀内的空化现象和涡旋的分布情况，发现当三角形流道的角度较小时，阀内会产生严重的空化现象［5］。 张立强等利用数值模拟，分析了V 型球阀在不同开度时流场的压力和速度分布，发现阀内的空化现象随开度的增加而增强［6］。

以流通面积为中间量，关联结构参数与流量系数，是V 型球阀设计时的一种常用方法。 祈崇可计算了稳压器喷雾阀在不同开度时的流通面积，并认为流量系数与流通面积成正比，最后与模拟结果进行比较，得到了较为吻合的结果［7］。张希恒等计算了V 型球阀的流通面积，并根据计算结果对V 型球阀进行了结构优化［8，9］。 孙丰位利用理论计算得到了V 型球阀的流通面积，并利用试验验证了理论计算的准确性［10］。 也有学者拟合了V 型球阀的流量特性与结构之间的关系，如Tao J Y 等利用试验和数值模拟研究了V 型球阀的流动特性， 并拟合了流量系数与开度、V 形切口角度的关系式［11］。

稳压器喷雾阀的流量特性需满足等百分比的要求，通过调整阀芯结构参数，可以改变V 型球阀的流量特性， 使其流量特性满足工位需求。Zhang H 等采用数值模拟方法， 研究了V 型球阀在不同开度时的流量系数，并以流通面积为依据对V 型球阀的阀芯进行了结构优化，使V 型球阀的流量特性更接近等百分比［12］。

目前，国内外对稳压器喷雾阀和V 型球阀的相关研究仍较少。 笔者采用数值模拟方法，研究了稳压器喷雾阀的流量特性，并探讨了小开度和关闭条件下影响阀门流量特性的因素，最后分析了流通面积与流量特性的关系，对稳压器喷雾阀和V 型球阀的设计、优化具有一定的参考意义。

1 计算模型

1.1 几何模型

某核电站用V 型球阀式稳压器喷雾阀几何模型和流道模型如图1 所示，主要由阀体、阀座、阀芯、阀杆及法兰等部件构成。

图1 V 型球阀式稳压器喷雾阀几何模型与流道模型

为了降低网格划分难度、 提升网格质量，在进行数值模拟之前， 对流道模型进行了简化，主要包括：假设阀杆与阀芯的连接是光滑的；不考虑阀座与阀体之间的空隙。

1.2 网格划分和边界条件

阀门进出口管道为直管，但阀体内部流道为不规则形状， 因此采用混合网格对流道进行划分：进出口管道采用结构网格，阀体内部采用非结构网格，划分结果如图2 所示。 为了降低网格数目对计算结果的影响， 进行了网格无关性验证，结果表明当网格数目为513 万时，能够保证数值模拟的精度。

图2 稳压器喷雾阀的网格划分

数值模拟所采用的介质为常温液态水；进口边界设为压力入口，压力设置为0.1 MPa；出口边界设为压力出口，压力设置为0。由于流体在阀门内会产生湍流，因此采用标准k-ε模型。 壁面采用标准壁面方程， 压力与速度耦合采用SIMPLE 算法，梯度项采用least squares cell-based，为了保证计算的精度，其余项均以二阶迎风格式离散。

1.3 数值模拟可靠性验证

为了验证数值模拟方法的可靠性和数值模拟结果的准确性，将数值模拟得到的阀门各开度下的流量系数与实际工况下测得的各开度下的流量系数进行对比，结果如图3 所示。

图3 流量特性曲线与实际工况的对比

从图3 可以看出，模拟得到的流量特性曲线与实际工况下测得的数据吻合度较高，验证了数值模拟方法的可靠性和结果的准确性。 此外，作出了可调比为50 的等百分比流量特性曲线，从图中可以看出，较大开度时，稳压器喷雾阀的流量特性与等百分比流量特性吻合较好，但在小开度时，两者误差较大。 这是由于稳压器喷雾阀在关闭时仍需要持续流动，因此在阀门小开度和关闭条件下，为满足实际工况，需要对其结构进行调整。

2 数值模拟结果

2.1 阀门流场

当阀门开度小于等于20%时，V 形切口的机构参数是影响稳压器喷雾阀流量特性的主要因素。 稳压器喷雾阀的流场在0%～20%与30%～100%两个开度段表现出明显的不同。阀门开度小于等于20%时， 各开度的速度云图如图4 所示。从图4 可以看出，随着阀门开度的增大，阀内最大流速未见显著增加，并且阀内流场的最大流速总是在V 形切口处，但高速区范围会随着开度增加而逐渐增大，除V 形切口区域外，阀内其他区域的速度较小。

图4 小开度时阀内流场的速度云图

当阀门开度处于30%～100%时， 不同开度下阀内流场的速度云图与矢量图如图5 所示。

图5 不同开度时阀内流场的速度云图与矢量图

从图5 可以看出， 随着阀门开度的增加，阀内的最大流速逐渐增大，阀内的最大流速总位于V 形切口处。 此外，阀门的出口管段存在一个较大的涡，这与文献［5］中的结论相吻合，随着阀门开度的增大，涡范围逐渐变小。 这是因为随着阀门开度的增大，阀门的流阻逐渐降低，阀内的流场也更接近于直管流动。

2.2 结构参数对阀门流量系数的影响

阀门开度较小时，V 形切口的结构参数是影响阀门流量系数的主要因素。图6 为V 形切口的张角对阀门流量系数的影响。 从图6 可以看出，当V 形切口张角一定时， 随着阀门开度的增大，阀门的流量系数增加；当阀门开度一定时，随着V 形切口张角的增大，阀门的流量系数总是线性增大。 这可能是因为当阀门开度固定时，阀门的流通面积随V 形切口张角的增加而线性增加。

图6 切口张角、阀门开度与流量系数的关系

当阀门关闭时，V 形切口的倒角尺寸对阀门的流量系数有较大影响，V 形切口倒角尺寸与阀门流量系数的关系如图7 所示。 从图7 可以看出，V 形切口的倒角尺寸对阀门关闭时的流量系数有较大的影响，且随着倒角尺寸的增大，流量系数逐渐减小。较小的V 形切口倒角尺寸虽然可以增加阀门的流量系数，但倒角尺寸过小可能会在V 形切口处产生应力集中等现象，因此在稳压器喷雾阀实际设计和生产过程中，应选择合适的倒角尺寸。

图7 倒角尺寸与流量系数的关系

3 理论计算结果讨论

由于V 型球阀式稳压器喷雾阀结构简单，为直通式，可以通过理论计算得到不同开度下阀门的流通面积。 但在阀芯上存在V 形切口，V 形切口结构复杂， 该处的流通面积不易直接求得，且V 形切口尺寸较小，在大开度时对阀门的流量系数影响较小，因此在计算阀门流通面积时，先忽略了V 形切口对流通面积的影响，有、无V 形切口的阀芯结构示意图如图8 所示。

图8 阀芯有、无V 形切口结构示意图

无V 形切口时，稳压器喷雾阀的结构参数如图9 所示，稳压器喷雾阀的阀座内径为D，阀芯半径为R，阀芯的三角形流道角度为θ，倒角尺寸为r， 三角形流道顶点与阀芯圆心在xoy平面上的投影距离为h， 倒角顶点与阀芯圆心在xoy平面的投影距离为K，α为阀门开度，ω表示相对于初始时刻阀芯转动的角度，图9a 所示为初始时刻，当阀门开度为0%时，ω=4.5°。

图9 稳压器喷雾阀的结构参数

如图9a 所示，当ω≤γ时，阀门的流通面积为零，称为阶段一。 在阀芯旋转过程中，共有3 个阶段，另外两个阶段分别如图10a、b 所示。 阶段二为三角形流道倒角部分r进入流道，而三角形的直边不进入流道， 阶段三为倒角部分r完全进入流道，三角形的直边也进入流道。

图10 阶段二与阶段三阀芯的位置

图11 阶段二流通面积示意图

此时， 阀门的流通面积Ar2=S1+S2，S1、S2的计算方法如下：

参数L的计算公式为：

由以上公式可以得到在各个开度下阀门的流通面积。当阀门开度小于20%时，阀门处于阶段一，因此只考虑开度大于20%时的流通面积。各开度对应的流通面积和由流通面积计算得到的相对流量系数见表1［7］。

表1 各开度下阀门的流通面积与相对流量系数

将计算得到的相对流量系数与数值模拟得到的相对流量系数进行比较， 在不同阀门开度下，两者的误差见表2。 从表2可以看出，当阀门开度较小时，误差较大，当阀门开度为30%时，误差最大，达37.5%，当阀门开度较大时误差较小。 这是因为在计算流通面积时没有考虑V形切口的影响，当阀门开度较小时，V形切口对流通面积的影响较大；而当阀门开度较大时，V形切口对流通面积的影响较小。

表2 相对流量系数数值模拟结果与理论计算结果的误差

为解决上述问题，在阀门开度较小的情况下（α≤40%），引入修正面积AV。 AV表示阀芯旋转γ角度时V形切口产生的等效流通面积， 其计算方法如下：

式中 A（α0）——阀门开度为0%时V型球阀的等效流通面积；

Kv（α0）——阀门开度为0%时V型球阀的流量系数；

Kvγ——阀芯旋转γ角度时V型球阀的流量系数；

k——比例常数；

γ——阀芯旋转的角度；

ω0——阀门开度为0%时阀芯转动的角度。

引入修正面积后，各开度的误差见表3。 从表3可以看出，在开度较小时，引入修正面积可以显著降低相对流量系数理论计算结果与数值模拟结果的误差。

表3 引入修正面积后相对流量系数数值模拟结果与理论计算结果的误差

当阀芯旋转角度小于γ时，V形切口结构是影响阀门流通面积的唯一因素， 但V形切口结构复杂，难以直接计算其流通面积。 由于几何形状的面积和几何尺寸总是成二次关系，因此采用二次函数拟合小开度时阀门的流通面积与阀门开度之间的关系，经拟合得到的表达式如下：

结合式（1）～（8），得到各开度下阀门的相对流量系数，并将理论计算结果与数值模拟结果进行比较（图12）。 从图12可以看出，理论计算结果与数值模拟结果吻合较好，验证了理论计算的准确性，因此可以根据理论计算结果对稳压器喷雾阀和V型球阀进行结构设计和优化。

图12 理论计算与数值模拟结果比较

4 结束语

笔者采用数值模拟和理论计算相结合的方法，研究了V型球阀式稳压器喷雾阀的流量特性。通过数值模拟，分析了各个开度下阀门的流量系数、阀内的流场分布，以及小开度条件下，影响阀门流量特性的因素；通过理论计算，得到了阀门在各个开度时的流通面积；得到了在小开度条件下，阀门的流通面积与开度的关系式，并将理论计算结果与数值模拟结果进行了比较，当开度较小时，开度增加不会显著影响阀内流场的最大速度，当开度较大时，流场的最大速度随着开度的增大而增加； 阀门出口段存在一个较大的涡，随着开度的增大，涡范围逐渐减小；阀门的流量特性在较大开度时与等百分比流量特性较吻合，但在小开度时两者误差较大。 在阀门小开度和关闭时，V形切口的结构参数对阀门流量系数有显著影响：随着V形切口张角的增大，阀门的流量系数呈线性增加；阀门关闭时，阀门的流量系数随V形切口倒角尺寸的增大而减小。 理论计算结果与数值模拟结果吻合较好，因此可以根据理论计算结果对稳压器喷雾阀和V型球阀进行结构设计、优化。