压水堆核电站主蒸汽安全阀升力数值计算

材料库选择IAPWS IFsteam5，湍流模型采用K一ε，传热为总能方程；入口设定整定压力8.56MPa，温度320℃，出口根据开度不同，按照阀门出口法兰与阀门开高帘面积的比值，根据介质在释放过程中的等焓原则计算出口压力，设定出口温度。

1.4收敛性判断

收敛性判断的依据：动量、能量方程RMS残差收敛到e-5，在求解收敛残差达到要求是出入口流量要求同时达到平衡。

2 分析结果

2.1 固定开高位置

主蒸汽安全阀的额定开启高度为36mm，在该范围内选取了11个开高位置进行分析计算。各开高位置如表2所示。

2.2速度与压力分布

图2给出了阀门在小开度、全开度下的流线分布。由于阀门的流道变化复杂，导致蒸汽在流动过程中的状态参数变化也变得复杂。从图中可看出，当蒸汽从阀门进口流至阀座和阀瓣围成的密封面区域时，由于流道截面的变小，使得压力变小，而蒸汽的流速则变大；在阀瓣和上调节圈位置向阀门腔体流动的区域，流道截面的突然变大导致流动参数变化也最为激烈，此时压力急剧降低而流速急剧增大，形成一股高速的射流直接冲向阀体壁面，蒸汽流速将超过音速，而音速将出现在临界截面上。

当阀门开高较小时.阀座出口处会产生很大的流阻，远远超过了临界背压力，此时蒸汽的音速流动出现在阀座与阀瓣之间的流场区域，即两密封面之间围成的圆柱侧面成为流场的临界截面。随着开高变大，阀门出口处的压力也在逐渐变小，当开高接近阀门的全开位置时，使得阀门出口处的压力低于临界背压力，因而临界截面逐渐移动至阀座喉口处。此外，随着阀门开度的变大，蒸汽在阀瓣出口的喷射角度也在逐渐由小变大。而该喷射角度可以通过调节导向套上的上调节圈来改变。喷射角度不同，阀瓣组件所受到的升力也不同，可以调整阀门的前泄压力及启闭压差。

2.3 升力结果

ANSYS CFX的后处理可以对流场进行诸如力、压力、温度、速度、流量、质量及马赫数等物理量的直接提取用于流场的特征分析，本文主要关注阀瓣受到的介质升力。在划分网格时，己将阀瓣组件的底面（即与介质接触并随介质上升的面）合并为一个整体，流体分析中获得的该组平面竖直向上力的大小即為阀瓣组件所受的升力大小。此外，通过阀门在不同开高下弹簧的压缩量，可求得阀瓣组件在开启动作过程所受的弹簧力大小。表3为阀瓣升力分析结果。

从表3可以看出，由于弹簧刚度恒定，弹簧力随阀门开高增大呈线性增加，而阀瓣组件所受到的介质升力也呈现单调递增的趋势，且在各开度下介质升力均大于弹簧力。因此阀门在开启后，阀瓣将始终作加速运动，由此表明当阀门达到整定压力后，阀门可以迅速开启。

4 结论

本文采用固定开高的方法，选取1/4流道模型对CAP1400主蒸汽安全阀在不同开启高度下的特征参数进行了模拟分析，获得了阀门在11个不同开高下速度场和压力场，并通过ANSYS CFX的后处理功能提取了阀瓣组件所受的升力，结果表明在不同该升力值恒大于阀瓣所受到的弹簧，通过安全阀阀门的热态性能试验同样证明安全阀在开启后可迅速达到全开，论证了主蒸汽安全阀动作特性的理论基础。

参考文献

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