調(diào)節(jié)閥是流體輸送系統(tǒng)的重要控制部件，廣泛應用于核電領域。核動力裝置對調(diào)節(jié)閥的性能要求很高，不僅要保證調(diào)節(jié)質(zhì)量，還要降低閥門的功耗。節(jié)流管式調(diào)節(jié)閥是哈爾濱工程大學開發(fā)的一種新型調(diào)節(jié)閥，用于調(diào)節(jié)流體輸送管道的流體壓力或流量，特別適用于核動力裝置的各回路系統(tǒng)。它以自己的高壓流體為工作質(zhì)量，通過調(diào)整節(jié)流管端面與活塞中心軸向排氣孔端面之間的間隙，改變活塞兩側控制流體的壓差，然后移動與活塞連接的閥盤，準確平衡所需位置。

近年來，隨著計算機和計算流體力學的發(fā)展（CFD）隨著數(shù)值模擬的發(fā)展，數(shù)值模擬的優(yōu)勢越來越明顯，流體機械的內(nèi)部流動已經(jīng)開始研究。節(jié)流管調(diào)節(jié)閥的內(nèi)部結構比較復雜，本文應用CFD軟件FLUENT三維數(shù)值模擬了其內(nèi)部流場，詳細研究了不同閥門結構的內(nèi)部流場受力和閥門驅(qū)動電機的功耗。

1節(jié)流管式調(diào)節(jié)閥結構及三維建模

   本文應用三維建模軟件Pro/ENGINEER建立流道模型。

1.1 建立流道模型

圖1是節(jié)流管式調(diào)節(jié)閥的結構圖。它由閥體、閥盤組件、活塞組件、節(jié)流管組件、雙面法蘭和閥門周圍組件組成。流體從右側流出，從左側流出。閥門的公稱直徑為DN設計壓力為40/100.2MPa，工作壓力為（2.15±0.10）MPa，減壓壓力不小于0.5MPa。

圖1 節(jié)流管道調(diào)節(jié)閥結構圖

從圖1可以看出，節(jié)流管調(diào)節(jié)閥內(nèi)部的流道比較復雜，直接建模流道將面臨很大的困難。本文首先建立了閥門的實際模型，然后建立了與實際模型相同的內(nèi)部無流道的實心模型，最后將兩者重合組裝成一個組件，依次采用編輯、組件操作、切割操作，即獲得閥門流道模型。為了減少計算量和節(jié)約計算機資源，簡化了節(jié)流管內(nèi)部上部的流道，并使用了計算區(qū)域的一半，圖2為提取的流道模型。

1.計算網(wǎng)格的劃分

使用專業(yè)的預處理軟件ICEM－CFD由于流道復雜，采用非結構化四面體網(wǎng)格對流道進行網(wǎng)格劃分。閥頭附近的流體速度和壓力梯度非常大，因此該區(qū)域被加密。如圖3所示，節(jié)流管調(diào)節(jié)閥開度為30%，網(wǎng)格數(shù)量為79萬。

2 模擬計算和結構優(yōu)化

本算例采用計算流體力學軟件FLUENT數(shù)值模擬調(diào)節(jié)閥流場。

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2.1 邊界設置

啟動FLUENT，選用三維雙精度求解器，導入流道網(wǎng)格。采用三維穩(wěn)態(tài)隱性壓力基求解模型，選用湍流模型k－ε湍流模型；流體介質(zhì)采用水作為不可壓縮流體，重力加速度為-9.8m/s²；湍流強度為3%，進口面邊界為壓力進口(2MPa），入口水力直徑為0.08m，出口邊界為壓力出口(1)MPa），出口水力直徑為0.1m；采用SIMPLE算法和一階迎風離散格式，殘差精度為10^-5，并監(jiān)控出口表面的流量變化。

2.2 節(jié)流管組件機械傳動計算

節(jié)流管式調(diào)節(jié)閥的執(zhí)行機構為小功率電機，最大功率為25W，工作電壓220V，電機設計參數(shù)為15r/min。螺紋為普通三角形螺紋，其公稱直徑為d=8mm，螺距為1.25mm，中徑為d2=7.188mm。

螺套管每分鐘向下移動一次L=15×1.25=18.75mm；

螺套管的運動速度為：

   

牙型角α=60°，牙側角；

螺釘和螺母的材料為鋼，發(fā)現(xiàn)螺紋副的摩擦系數(shù)f=0.17；

當量摩擦角螺紋ρ正切值為：

螺紋升角ψ正切值為：

在螺桿和螺套管之間存在螺旋傳動，該螺紋副的傳動效率為：

   

假設電機的工作效率為100%，電機沿垂直軸旋轉(zhuǎn)，并通過螺釘向下傳動力。電機每旋轉(zhuǎn)一周，螺釘也旋轉(zhuǎn)一周，螺套向下移動螺距位移。P電機功率，P考慮到螺紋副的傳動效率，可以根據(jù)公稱直徑與螺距的關系（如圖4所示）得出相應的轉(zhuǎn)換關系：

   （1）

圖4 公稱直徑與螺距的三角關系

根據(jù)功率、速度和力的關系：

   （2）

由牛頓第二定律可以看出，電機驅(qū)動節(jié)流管向下勻速F對節(jié)流管的壓力等于流體F，即

F'=F （3）

電機消耗的功率P為：

（4）

其中：a≈0.0181m/s。

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2.3 結構優(yōu)化    

通過上一節(jié)的機械傳動計算，可以看出電機功率與節(jié)流管壓力成正比。本文從降低節(jié)流管壓力的角度優(yōu)化了流道的設計。通過觀察流道結構，可以降低閥體孔的直徑(導氣孔結構如圖2所示)。

節(jié)流管調(diào)節(jié)閥體內(nèi)導氣孔的實際直徑為6mm，應用Pro/E軟件改變節(jié)流管式調(diào)節(jié)閥中導氣孔的直徑，將直徑分別改為4、5、7、8mm，并提取各流道模型 ，劃分網(wǎng)格，導入FLUENT內(nèi)部進行數(shù)值模擬。表1是計算節(jié)流管的軸向壓力和活塞的應力。

表1 改變閥體內(nèi)導氣管直徑時節(jié)流管的應力

   

當導氣孔直徑為4、5、6、7、8mm當相應的電機功率分別為2.39、2.49、2.65、2.836、3.02W。

從圖5可以看出，當導氣孔直徑降低時，活塞上表面的壓力也會降低，活塞兩側流體的壓差也會降低?；钊球?qū)動閥桿向下移動的主要動力。如果導氣孔直徑過度降低，會影響活塞的合力，進而影響閥門的開啟。因此，適當降低閥體內(nèi)導氣孔的直徑可以有效節(jié)省閥門電機的功耗。圖6為電機功率隨導氣孔直徑變化的曲線圖。從圖6可以看出，電機功率隨導氣孔直徑變化明顯。當導氣孔直徑大于閥門實際直徑時，電機功率隨導氣孔直徑的增加而增加；當導氣孔直徑小于其實際直徑時，電機功率隨直徑的減小而減小。

圖5 活塞兩側壓差隨導氣孔直徑變化的曲線圖

圖6 電機功率隨導氣孔直徑變化的曲線圖

3 結語

減少節(jié)流管式調(diào)節(jié)閥的導氣孔直徑可以有效降低電機功耗。通過模擬不同導氣孔直徑的調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流道的三維穩(wěn)態(tài)值和節(jié)流管內(nèi)部的機械傳動計算，得出節(jié)流管端面和活塞兩側流體的壓力，在不同導氣孔直徑的電機功率上找到閥門。分析得知，當導氣孔直徑減小時，電機功率減?。划攲饪字睆皆龃髸r，電機功率也會增加。