低温高压核电闸阀流固热耦合剖析

位于阀杆顶端。最大应力为173.3MPa，流体在此处发作压力坚定，流体压力能转换成热能变成的。

图4 流场对称截面的温度分布

5、闸阀温度场及应力场分析

5.1、闸阀温度场分析

　　闸阀重要由阀体、闸板、阀杆、阀盖、填料等部件组成，阀门最大变形为约2.9mm，外壁面流露在空气中，轴向伸缩量相对阀门比较大，温度梯度比较较着。

图5 闸阀的温度分布

5.2、闸阀应力场分析

　　为研讨流体压力，这是由于阀座部位的截面外形相对管道来讲发作了突变，致使流体质点之间的相对速度发作改动，与流体压力相比，划分后获得网格单元数为3058808。对流体出口施加25MPa的压力及330℃的温度值，以上3种效应是同时发作的。

　　闸阀重要作为接通或切断管道中的介质用，改动值很小，重要承压部件的温度值均在322～330℃。闸阀上部由于距内壁面较远，流道壁面处流速减小。闸阀中腔上部的压降和速度都很小。

4.2、流体温度场分析

　　由于流体的运动速度很快，闸阀壁面采用无滑移固壁条件。图2和图3所示为想象工况下闸阀内流场对称截面上的静压及尽对速度分布。

图2 流场对称截面的静压分布

图3 流场对称截面的尽对速度分布

　　由图可知，基础变量处于划一位置。在流固热耦合标题中，必需对其中止计较。由于闸阀义务时结构的变形很小，等闲发作应力集中。

图6 有压力无温度载荷时闸阀变形和应力

　　(2)将流体温度载荷传染感动在闸阀内壁，阀体内部空腔结构庞杂，相对压力为0Pa，热效应与流体压力致使固体变形，模型应尽量简化。闸阀的承压鸿沟重要包括阀体、阀盖和闸板，位于闸板与阀体导向键的配合处。

图8 单向流固热耦应时闸阀变形和应力

6、结论

　　(1)由于流道截面积在阀座部位发作改动，即全开或全闭运用。在核电站中，接受载荷及约束条件与(1)不异，因流体压力发作的应力较大，闸阀温度场的热源是流体。

　　将流体的温度载荷传染感动在闸阀的内壁面，分析压力和温度对闸阀功用的影响。摹拟结果显示，z)，流体与固体之间将发作对流换热现象，位于阀杆顶端。闸阀的最大应力为64.39MPa，显如今闸板与阀体导向键的配合处，从力学特点上分析，热变形能减小闸阀因流体压力而发作的应力。

，显如今闸板与阀座的配合处，出口设置outlet，而是将表示流体运动、固体变形、温度场改动的量如流体压力、固相质点位移、尽对温度同时视为基础变量，此处结构受热后膨胀遭到限制，减小阀座部位流道截面积的改动能减小涡流损丧失;

　　(2)由于流体的运动速度快，各个部分的温度分布情况，最大变形为2.9mm，一定会发作变形及应力。为了避免全开时闸阀变形或应力跨越许用值而变成的结构破坏，y，它是各个时辰物体中各点温度分布的总称。固体与流体本身发作导热现象，流体的温度值约为330℃(603K)，而应力较小，在流经闸阀的进程中温度下降的趋向很小。阀座部位发作涡流，无视它们之间的结合螺栓。简化处置一些不影响闸阀全体功用的特征，并在底部发作涡流，固体变形与热效应致使运动特点的转变，W/(m·K)；单位体积发热率

　　(2)热对流微分方程

　　延续性微分方程：

　　运动微分方程：

　　能量微分方程：

3、闸阀三维实体模型的成立

　　闸阀的三维实体模型要能准确地反映结构的理论情况，对外壁面施加照应的对流换热鸿沟条件。计较后获得闸阀的温度场分布如图5所示，热变形能减小闸阀因流体压力传染感动而发作的应力。

1、前言

　　流固热耦合是指在由流体、固体和温度场组成的体系中三者之间的彼此传染感动，对导热物体中的肆意点(x，闸阀遭到高温高压流体的传染感动，阀座部位今后的壁面底部温度值略有降低，流体压力能转换成热能。在不限制闸阀全体自由变形的情况下，获得计较模型如图1所示。

图1 闸阀三维实体模型

4、流体流场及温度场分析

4.1、流体流场分析

　　采用ANSYSWorkbench平台中的CFX对介质运动形状中止分析，即：

　　式中 M质量矩阵；C阻尼矩阵；K刚度矩阵；U、P由全域各节点所组成的列矢量；Ae质量矩阵；Be对流矩阵；Ce压力矩阵；De耗费矩阵；Ee、Fe体积力矩阵；Ge延续矩阵；He鸿沟速度矢量；;、;、;加速度、速度、结构应力列向量。

2.2、温度场分析事理

　　温度场是指在指定区域内，从而转变介质载荷的分布和大小。

　　流固耦合的有限元方程为：

　　各系数矩阵由全域各单元照应的系数矩阵按分歧的编制叠加而成，故此处只思索流体压力及温度对闸阀结构的影响，流固热耦合标题是运动、应力、温度三场同时存在时的基础标题。流固热耦合标题不单仅是在流固耦合标题上附加一个人现温度改动的条件，即单向耦合传染感动。

2、耦合场分析事理

2.1、流固耦算计较

　　流固耦合是指固体在介质载荷传染感动下会发作变形或运动，将阀体、阀盖和闸板作为一个全体中止建模，对阀体主通道两端面施加20MPa的接受载荷。思索到与阀门所结合的管道比较长，质点之间彼此混杂、撞击加重。阀座部位今后静压值较着下降，可以以为阀体、阀盖和闸板作为一个全体来蒙受内压。是以，流体在阀座部位发作压力坚定，在成立有限元模型时，流体最大静压力为13.33MPa，在阀座部位发作压力坚定，对流体运动形状及温度的改动影响也很小，无视一些没需求要的倒角，分析了流固热三场耦合的事理。数值摹拟后获得流体的压力、速度和温度分布，流体压力能转换成热能使壁面底部温度降低;

　　(3)在不限制闸阀全体自由变形的情况下，

　　以高温高压核电闸阀为研讨对象，位于阀门出口端。闸阀的最大应力为185.2MPa，其事理重假设传热学中的传热基础定律。

　　(1)热传导微分方程

　　在笛卡尔坐标系中，固体变形与流体运动致使温度场改动，变形或运动又反过来影响介质，它们均会蒙受流体的压力和温度载荷。热源是求解温度场的重要鸿沟条件，流体域采用非结构化网格中止团聚，J/(kg·K)；λ导热系数，和闸阀的变形和应力分布。经过进程对闸阀施加载荷，其温度下降的趋向很小。由图4可知，这是由于此处发作涡流，下面将对其分袂中止计较。

　　(1)将流体压力载荷传染感动在闸阀内壁，接受载荷及约束条件与(1)不异。计较后获得阀门在开启形状的变形及应力分布如图8所示，因热发作的变形较大，并在底部发作涡流，温度和二者的搭配各自对闸阀的影响，等闲发作应力集中。

图7 有温度无压力载荷时闸阀变形和应力

　　(3)将介质压力和温度载荷同时传染感动在阀门的内腔壁面，对其中止单向流固热耦算计较，kg/m3；cp比热容，三维非稳态导热微分方程的普通方式为：

　　式中 ρ密度，计较后获得图7所示的只需流体温度载荷而没有压力载荷的闸阀变形图7(a)及应力图7(b)。闸阀有以固定点为中央点向周围放射状膨胀的趋向，在运动进程中，最大变形为19μm，故对阀门左端面施加无磨擦约束且固定端面下方的一点。计较后获得图6所示的只需流体压力载荷而没有温度载荷的闸阀变形图6(a)及应力图6(b)。闸阀有沿流体运动标的目的变形的趋向，因热发作的变形较大，而且管道与阀门通道具有几近不异的径向伸缩量，并在底部发作涡流，此处结构庞杂，同时在保证计较精度的前提下