摘 要：泄放水调节阀流量特性关系到泄放水蒸发器能否正常工作。为了研究顶杆型线对泄放水调节阀流量特性的影响，采用CFD方法对采用不同顶杆型线的调节阀的流量特性进行了数值模拟，并对结果进行了试验验证。结果表明，将圆柱顶杆侧面对称铣出5%斜面可大大改善调节阀流量特性的线性度，在此基础上加装环套可使阀门在全开度范围内都具有良好的线性流量特性，将带5%对称斜面的顶杆。

关键字：调节阀 型线 CFD 流量特性

泄放水系统是核动力装置二回路系统的重要组成部分，其功能是接受蒸汽发生器排污水，对蒸汽发生器工质进行净化回收。泄放水系统首先将高温高压的排污水减压，然后将其排入泄放水蒸发器，在此过程中需要根据泄放水蒸发器的排污能力控制进入蒸发器排污水的流量，这一功能是靠泄放水调节阀来实现的。

针对以往泄放水调节阀响应慢、精度低、稳定性差、故障率高、弹簧整定困难等缺点，哈尔滨工程大学设计了一种新型泄放水调节阀。它利用了伺服液压原理借助流体压差来产生驱动力。孙小波、郑红丽等人利用ANSYS软件对该阀进行了稳态模拟，并计算了阀体强度；于明锐对该阀进行了试验研究，考察了该阀的动态响应特性与动作可靠性。但对于调节阀流量特性的优化与改进研究不多，因此，本文对顶杆型线对调节阀流量特性的影响进行了分析，利用CFD软件Fluent对装有不同型线顶杆的调节阀进行了数值模拟，最后与试验结果进行了对照。

1 几何模型

由于我们只关心调节阀的流量特性，所以在建模时可忽略除进出口流道及节流口以外的部分（图1）。在Pro/E中建立流道模型时，由于流道比较复杂，为了方便划分网格，忽略了一些被认为对流量特性影响不大的倒角、圆角和一些细小的面。

图1 流道模型

共建立了12种不同线型的顶杆（图2）。模型1是圆柱形顶杆。模型2在侧面对称铣出4°斜面。模型3在侧面对称铣出5°斜面。模型4在3的基础上将斜面起点上移3mm。模型5在4的基础上加了间隙0.5mm高4mm的环形套。模型6是在2的基础上加了间隙0.5mm高4mm的环形套。模型7在5的基础上将间隙改为0.1mm。模型8在7的基础上在套上做了2×1mm倒角。模型9将倒角改为1×1mm。模型10将倒角下加了1mm。模型11在10的基础上在上部加了曲率2mm的圆倒角。模型12在9的基础上将斜面起点上移10mm并加了曲率5.3mm。

图2 模型结构简图

2 网格划分

根据计算区域的特点，在Gambit进行网格划分时采用混合网格来适应复杂流道。

为保证计算精度，联系本研究的具体要求，对顶杆及其周围的流场重点加密，其他部分如阀头、环套局部加密，而对于进出口流道和顶杆上部，流道形状规则，可以不加密，以避免增加不必要的计算量。经过多次尝试，根据计算结果不断调整参数，选定了比较满意的参数设置。

最终划分的网格数在100万左右，一半的网格扭曲率都控制在0.5以下，几乎全部的网格扭曲率都控制在0.8以下，可以满足计算精度的要求。

3 数值计算

网格划分完成后，使用Fluent软件进行数值计算。

3.1 计算模型的选择

因为在本文中，流体可以认为是不可压流体，因此采用压力基求解器，选SIMPLE算法。

3.2 湍流模型的选择

根据实验数据，选择RNG双方程模型，壁面函数选择标准壁面函数。

3.3 边界条件及物性参数的选择

边界条件包括流动变量和热变量在边界处的值，是CFD问题的关键。

表1 边界条件

根据所给资料，可以确定的参数包括入口压力、出口压力等等。因此，采用压力入口、压力出口的边界条件，壁面条件保持默认。具体的设定参数如表1所示。

由于计算涉及热态，因此其温度分别有两个设置。冷态在300K下设置，热态在495K下设置，即2.4MPa下的饱和温度。水的物性参数如表2所示：

表2 水的物性参数

设置收敛判据，其中能量的收敛判据设为10^-6，其他设为10^-3。由于本文关心的主要内容是流量特性，因此再增加一个监视器监视入口流量，如果显示出入口流量不再变化，则可认为计算结果已收敛而终止计算。设置迭代的次数为2000次。在实际计算过程中，一般来说迭代的次数在1000次以内就可结束。

4 结果分析

对不同顶杆型线下的计算结果进行分析，从而选出具有良好的线性和等百分比流量特性的顶杆型线。

4.1 顶杆型线的选择

4.1.1 圆柱形顶杆

圆柱体顶杆对应的流量特性曲线如图3所示：

图3 圆柱顶杆的流量特性曲线

观察图像可以发现，两种状态下调节阀的流量特性曲线线性度都不太好，因此可以说对于圆柱顶杆，在全开度范围内调节阀都不具有良好的线性特性。

4.1.2 4°倾角斜面的顶杆

根据以往的工程实践，把顶杆铣出对称的斜面有助于改善流量特性的线性度。斜面与顶杆中线的夹角一般为4°～5°。根据对速度云图和压力云图的分析，斜面可以显著减小顶杆处流体的压强梯度和速度梯度，因此对流量特性的改进有一定的作用。

4°斜面计算得到的流量曲线如图4所示：

图4 4°倾角顶杆的流量特性曲线

可以得出如下结论：其一，斜面的存在使得流量特性曲线在回归直线两侧的波动有所缓解，流量特性曲线的线性度有所改善，如果只考虑10%开度～90%开度这一区间内的流量曲线的话，可以发现斜面的存在使得流量特性曲线在这一开度区间内比较符合线性；其二，但是在小开度（10%开度以下）和大开度（90%开度以上）时，流量的值偏离回归直线的程度比较大。

4.1.3 5°倾角斜面的顶杆

由于上面的顶杆型线对于小开度（小于10%）和大开度下（大于90%）情况时流量特性比不令人满意，考虑到工程实践的经验将斜面与顶杆中线的角度更改为5°，其他部分不作更改。

由伯努利方程可知，在相同的压降下，对于同一种工质，调节阀的流量大小与最小截面的面积成正比。倾角的增大，使得流道最大截面变大。针对4°倾角顶杆的问题，这样的改动可以增大在大开度时的流量，对于大开度下顶杆流量特性的改进有一定帮助，较大开度时流量的增大，对于小开度下流量偏大的问题也有一定帮助。流量特性曲线如图5：

图5 5°倾角顶杆的流量特性曲线

观察图5可以发现，对于5°倾角的顶杆型线来说，其线性度已经较好，达到了R2=0.9879的水平。尤其在较大开度（从60%～100%）基本上达到了直线特性的要求。但小开度下偏离线性特性的问题依然存在，通过与图4对比，其偏离程度有所减小，但差别并不大。综合考量下，可以认为5°倾角的顶杆线性度虽然好于4°倾角的顶杆，但仍可进行进一步改进。

4.1.4 对5°角斜面的顶杆的改进

通过对上面两种顶杆型线的分析，我们发现，两种型线流量特性偏离线性的主要原因之一都是小开度下流量过大。鉴于流量与流道截面积成正比，改进的方案是减小在小开度下的流道截面积，或者增大大开度下的流道截面积。考虑到顶杆加工的工程实践，而且截面积需要有一个相对平缓的过渡过程，以避免流道及面积的突然变化导致流量的突变影响线性度，决定将顶杆的形状做如下改动：其他不变，但是将斜面的起始点向上移动3mm，以达到减小小开度下流道截面积的目的。流量特性曲线如图6。

图6 起点上移后的流量特性曲线

在进行改进以后，在30%开度以上的区间内，流量特性曲线几乎就是一条直线。但是在10%小开度下的流量数值线性度依然不好。通过对这一组数据的分析，可以看出单纯的改变小开度下的流量并不能很好的改变其流量特性。

4.2 加套顶杆

通过上面的计算和分析，我们假设在总体上减小各个开度下的流量值，从而提高流量特性曲线线性度是可行的。减小流量的方法是减小流道截面积，有两个可行的方案，一是在顶杆周围加套，二是增大顶杆直径。考虑工程实际，决定采用第一个方案。

套不加倒角，套与5°顶杆下部直径最大处的间隙为0.5mm，此时得到的流量数据线性度很差。于是将顶杆斜面改为4°，重新计算得到的流量特性曲线如图7所示：

图7 4°倾角加套的流量特性曲线

可以看出这种情况下的线性度依然很不理想。由此得出结论，不论顶杆形状如何，这种套与顶杆最小间隙为0.5mm的情形都不符合线性度良好的要求。因此对顶杆周围的套进行改进，将其与顶杆直径最大处的间隙调整为0.1mm，取斜面与顶杆中线的角度为5°，斜面起始点与顶杆底部相距3mm。流量特性曲线如图8所示：

图8 间隙为0.1mm时的流量特性曲线

可以发现，套与顶杆之间的间隙变小对于减小各个开度下的流量值有着极其显著的作用。但是，在10%开度时的流量还是明显偏大，导致在低开度下的流量特性仍不符合线性度的需要。而在30%开度以上，流量特性曲线与线性趋势线几乎是重合的，符合要求。

针对这个问题，我们做出如下尝试：将间隙为0.1mm套的下部加一个尺寸为高度2mm，宽度1mm的倒角。这样的改动有助于将最小截面积的位置向大开度的位置移动，对于大开度下的流量增大有一定帮助，从而改善阀门的流量特性。得到的流量特性曲线如图9所示：

图9 倒角高度为2mm时的流量特性曲线

可以看出在小开度下的流量值依然偏离线性的要求比较大。我们做出如下尝试：保持其他的尺寸不变，将套的倒角的尺寸更改为1mm×1mm，将这个形状下的流量特性曲线与图3.17所示的流量特性曲线相对比，得到图10：

图10 两种倒角流量特性的对比

可以看到，虽然小尺寸倒角的套所对应的流量特性曲线线性度稍有改善，但是都没有能够完美的解决小开度下流量偏大的问题，还需要进一步的改进。

把上面所述1mm×1mm的倒角下部加一部分套，间隙不变。这样可以减小小开度时的流道截面积，改善流量特性的线性度。流量特性曲线如图11：

图11 最终型线下的流量特性曲线

我们可以看出，虽然与标准的线性流量特性曲线有一定差距，但是R2=0.9842，与标准的线性曲线相差已经不大，至此，可以认为该调节阀的流量特性已经满足线性的要求。

4.3 等百分比流量特性的顶杆型线

在实际运用中，等百分比流量特性单位行程变化引起单位流量变化的百分率是相等的，小开度小流量下放大倍数小，大开度下放大倍数大，使得整个调节过程比较平稳，工作更为灵敏有效。在使用中常以等百分比特性代替抛物线特性。

考虑到该阀门在实际应用中的需要，顶杆的形状首先选取的是在图3.11中形状的基础上，将斜面的上部加一个曲率半径为2mm的倒圆角，其流量特性曲线如图12：

图12 加圆倒角的流量特性曲线

显然，这种流量特性曲线与等百分比流量特性曲线相去甚远，与线性或者快开特性更为相近。考虑到上面线性流量特性的研究历程，相对于线性流量特性，等百分比流量特性提出的要求是小开度下的流量变化率变小，大开度下的流量变化率增大。由此提出猜想，如果在顶杆下部加一个较长的圆柱形段，同时加套，应该对流量特性的改善有所帮助。改进后的流量特性曲线如图13：

图13 改进后的流量特性曲线

可知流量特性曲线达到了等百分比流量特性，且达到了R2=0.9991的高水平。其偏离标准等百分比流量曲线的原因是整体上流量值偏大。考虑到具体的工程实践，此处套与顶杆的最小间隙已经是0.1mm的水平，进一步降低总体流量十分困难，而且已经满足设计要求，可以认为达到了设计初衷。

5 结论

本文采用CFD方法，计算了不同顶杆型线对泄放水调节阀流量特性的影响，得出以下结论：

A.型线采用方案10可以保证调节阀具有良好的线性流量特性。

B.型线采用方案12可以保证调节阀具有良好的等百分比流量特性。

C.模拟值与试验值有一定的误差，但当模拟值出现较好的线性时，试验值也得到了较好的线性，证明了模拟实验对实际的设计工作有一定帮助。