高温高压核电闸阀流固热耦合分析

　　以高温高压核电闸阀为研究对象,分析了流固热三场耦合的原理。数值模拟后得到流体的压力、速度和温度分布,以及闸阀的变形和应力分布。通过对闸阀施加载荷,分析压力和温度对闸阀性能的影响。模拟结果显示,流体在阀座部位产生压力波动,并在底部产生涡流,流体压力能转换成热能。在不限制闸阀整体自由变形的情况下,因热产生的变形较大,因流体压力产生的应力较大,热变形能减小闸阀因流体压力作用而产生的应力。

　　关键词：闸阀;高温;高压;核电;流固热耦合

　　Abstract: A high-temperature and high-pressure nuclear power gate valve was studied,and three field coupling principle of fluid-solid-heat was analysed.Distribution of fluid pressure,velocity,temperature,valve deformation and stress were obtained by numerical simulation.The effect of fluid pressure and temperature upon the valve was analysed by loaded them on it.Simulation results show that the pressure of fluid fluctuates and eddy current generates in the seat area,the pressure energy of fluid transforms into heat energy.When the whole free-form deformation of the valve is unrestricted,heat generates larger deformation and fluid pressure generates greater stress,thermal deformation reduces the stress of the valve under fluid pressure.

　　Keywords: gate valve;high-temperature;high-pressure;nuclear power;fluid-solid-heat coupling

　　基金项目: 江苏省科技支撑计划项目(BE2010116);; 江苏高校优势学科建设工程资助项目

　　流固热耦合是指在由流体、固体和温度场组成的系统中三者之间的相互作用，流固热耦合问题是流动、应力、温度三场同时存在时的基本问题。流固热耦合问题不仅仅是在流固耦合问题上附加一个体现温度变化的条件，而是将体现流体流动、固体变形、温度场变化的量如流体压力、固相质点位移、绝对温度同时视为基本变量，基本变量处于平等地位。在流固热耦合问题中，热效应与流体压力导致固体变形，固体变形与流体流动导致温度场变化，固体变形与热效应导致流动特性的改变，以上3 种效应是同时发生的。

　　闸阀主要作为接通或切断管道中的介质用，即全开或全闭使用［1］。在核电站中，闸阀受到高温高压流体的作用，必然会产生变形及应力［2］。为了防止全开时闸阀变形或应力超过许用值而造成的结构破坏，必须对其进行计算。由于闸阀工作时结构的变形很小，对流体流动状态及温度的变化影响也很小，故此处只考虑流体压力及温度对闸阀结构的影响，即单向耦合作用。

　　(1) 由于流道截面积在阀座部位产生变化，流体在此处产生压力波动，并在底部产生涡流，减小阀座部位流道截面积的变化能减小涡流损失;

　　(2) 由于流体的流动速度快，在流经闸阀的过程中温度下降的趋势很小。阀座部位产生涡流，流体压力能转换成热能使壁面底部温度升高;

　　(3) 在不限制闸阀整体自由变形的情况下，与流体压力相比，因热产生的变形较大，而应力较小，热变形能减小闸阀因流体压力而产生的应力。

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