調(diào)節(jié)閥振動問題在高參數(shù)汽輪機(jī)中普遍存在，已嚴(yán)重影響到機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性。調(diào)節(jié)閥振動為復(fù)雜的流固耦合，依靠數(shù)值模擬揭示由流體誘發(fā)振動的原因逐漸成為重要的手段，但是目前針對調(diào)節(jié)閥的大部分?jǐn)?shù)值模擬并未考慮閥桿系統(tǒng)振動對閥內(nèi)流場的影響。

　　調(diào)節(jié)閥振動問題在高參數(shù)汽輪機(jī)中普遍存在，已嚴(yán)重影響到機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性。調(diào)節(jié)閥振動為復(fù)雜的流固耦合，依靠數(shù)值模擬揭示由流體誘發(fā)振動的原因逐漸成為重要的手段，但是目前針對調(diào)節(jié)閥的大部分?jǐn)?shù)值模擬并未考慮閥桿系統(tǒng)振動對閥內(nèi)流場的影響。該文在數(shù)值模擬中利用Fluent中動網(wǎng)格模塊和UDF函數(shù)，對比分析了閥碟在靜止和不同振幅、振動頻率下對閥內(nèi)流場的影響。在網(wǎng)格變形中使用了一種新穎的網(wǎng)格控制方法，即固定閥碟邊界層網(wǎng)格使網(wǎng)格在較大尺度區(qū)域變形，確保了數(shù)值計(jì)算準(zhǔn)確、順利的進(jìn)行。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明當(dāng)閥碟頂端振幅小于0.6mm時(shí)，閥碟上壓力呈現(xiàn)隨機(jī)波動;當(dāng)閥碟頂端振幅為1mm時(shí)，閥碟上壓力隨閥碟移動出現(xiàn)明顯的周期性波動，此時(shí)數(shù)值模擬應(yīng)考慮閥桿系統(tǒng)振動的影響。隨著振動頻率的增加，閥碟上周期性的壓力波動逐漸滯后于閥碟移動，當(dāng)頻率達(dá)到193.6Hz時(shí)周期性波動消失。

　　調(diào)節(jié)閥位于主蒸汽管道和汽輪機(jī)之間，是控制機(jī)組功率的重要通流部件。隨著機(jī)組單機(jī)容量增加和蒸汽參數(shù)的提高，汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥常處于極其嚴(yán)酷的工況環(huán)境中，由流體誘發(fā)調(diào)節(jié)閥的振動所產(chǎn)生的事故屢見不鮮，已成為威脅電廠安全運(yùn)行的重要因素。隨著CFD的不斷發(fā)展和完善，數(shù)值計(jì)算因其方便性和可視化等優(yōu)點(diǎn)受到了眾多學(xué)者青睞，在分析流體誘發(fā)的調(diào)節(jié)閥振動中扮演越來越重要的角色。但真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.healwit.com.cn/)認(rèn)為由于調(diào)節(jié)閥振動是一種復(fù)雜的三維流固耦合現(xiàn)象，到目前為止對于該問題的機(jī)理始終沒有明確的論斷。

　　Araki認(rèn)為當(dāng)調(diào)節(jié)閥中閥桿系統(tǒng)的振動在小開度時(shí)為一階縱向高頻振動，在開度逐漸增大后主要為一階彎曲振動。Zhang通過二維定常數(shù)值模擬指出閥內(nèi)不對稱流是引起振動的主因。Morita的三維非定常數(shù)值模擬進(jìn)一步表明閥碟下方高壓區(qū)的周向移動導(dǎo)致了閥桿系統(tǒng)的振動。Morita還通過實(shí)驗(yàn)研究了閥桿在弱連接下的壓力波動和振動的關(guān)系，指出在中等升程時(shí)壓力波動和閥固有頻率之間存在鎖定現(xiàn)象，在鎖定區(qū)域阻尼比接近于零且振幅較大，而在非鎖定區(qū)域阻尼比大于5%。Tecza通過有限元法確定了閥桿系統(tǒng)的固有頻率，并指出閥碟最有可能的運(yùn)動為傾斜和擺動，并按照閥桿擺動頻率550Hz最大擺動角度為±0.02°進(jìn)行了瞬態(tài)力響應(yīng)分析。Yonezawa的研究表明閥碟在靈活狀態(tài)下的壓力波動高于閥碟緊固時(shí)的波動，將閥桿系統(tǒng)的振動分為振動幅值較小時(shí)的強(qiáng)迫振動和振動幅值較大時(shí)的自激振動。國內(nèi)關(guān)于調(diào)節(jié)閥的數(shù)值計(jì)算研究往往不考慮閥桿系統(tǒng)振動的影響，用數(shù)值模擬分析調(diào)節(jié)閥的閥型對振動、流量、壓損、流型等因素的影響，而在調(diào)節(jié)閥快關(guān)和開啟特性中不得不考慮閥碟移動，利用動網(wǎng)格計(jì)算閥內(nèi)的瞬時(shí)流場的變化。但是在計(jì)算過程中由于網(wǎng)格畸變過大而導(dǎo)致計(jì)算發(fā)散一直是困擾數(shù)值計(jì)算能否順利進(jìn)行的關(guān)鍵因素。通過增加網(wǎng)格尺度減小網(wǎng)格畸變往往收效甚微，甚至有時(shí)還會因網(wǎng)格尺度過大而影響計(jì)算準(zhǔn)確性。

　　從這些研究可以看出，以往借助CFD分析閥內(nèi)的流型及流體誘發(fā)的調(diào)節(jié)閥閥桿系統(tǒng)振動大都忽略振動對閥內(nèi)流場的影響。但當(dāng)振動幅值較大時(shí)，必然會對內(nèi)部流場的產(chǎn)生影響。本文針對以上問題，利用Fluent中的彈簧光順模型和UDF函數(shù)，對比分析了某600MW�；�調(diào)節(jié)閥的閥碟頂端振幅分別為0.6mm、1mm，及振動頻率分別為46.4、92.8、185.6Hz時(shí)閥桿系統(tǒng)振動對閥內(nèi)流場的影響。計(jì)算中提出的保護(hù)邊界層的網(wǎng)格變化方法和數(shù)值計(jì)算結(jié)果為后續(xù)數(shù)值計(jì)算中網(wǎng)格控制和是否考慮閥桿系統(tǒng)振動對閥內(nèi)流場的影響提供了重要的參考。

1、數(shù)值計(jì)算的物理模型

　　根據(jù)相似原理對某電廠600MW調(diào)節(jié)閥進(jìn)行了�；瘜�(shí)驗(yàn)，圖1為�；�后調(diào)節(jié)閥沿進(jìn)口方向中心截面示意圖。閥桿和閥碟所組成的系統(tǒng)可看做為以提升機(jī)構(gòu)與閥桿連接處為固定點(diǎn)，頂端帶有集中質(zhì)量的長細(xì)粱結(jié)構(gòu)[3]。由于調(diào)節(jié)閥在中等升程下，閥碟上壓力波動呈現(xiàn)以低頻占優(yōu)的寬頻激勵特性，所以主要考慮閥桿閥碟所組成系統(tǒng)的一階彎曲模態(tài)對閥內(nèi)流場的影響。利用Workbench計(jì)算此調(diào)節(jié)閥閥桿系統(tǒng)固有頻率，結(jié)果表明此調(diào)節(jié)閥閥桿系統(tǒng)一階彎矩的固有頻率為46.4Hz。為對比閥桿系統(tǒng)按照一階彎矩振動在不同振動頻率下對閥內(nèi)流場的影響，計(jì)算了頻率分別為一階彎矩頻率及2倍、4倍一階彎矩頻率(即頻率分別為：46.4、92.8和185.6Hz)這3種方案。為對比不同幅值對閥內(nèi)流場的影響，計(jì)算了閥碟固定、閥碟頂端振動幅值為0.6和1mm這3種方案。以上計(jì)算中，閥桿系統(tǒng)振動方向?yàn)檠貓D1中進(jìn)口中心截面。為后續(xù)分析方便，定義三維坐標(biāo)所指方向如下：x軸正方向所指的沿來流方向?yàn)闁|側(cè)用E表示，x軸負(fù)方向所指為西側(cè)用W表示;y軸所指方向沿閥桿軸向;z軸所指方向垂直于沿來流中心截面，如圖1、2所示。

圖1 調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)圖

圖2 閥碟偏向西側(cè)示意圖(h=0.6mm)

　　圖2為閥碟頂端最大振幅h=0.6mm時(shí)的閥碟偏向東側(cè)示意圖，可以看出閥碟可能出現(xiàn)的最大振幅主要由閥碟和閥碟套間隙0.2mm決定。隨著使用時(shí)間增加，閥碟表面的涂層不斷脫落此間隙可達(dá)到0.4mm，此時(shí)閥碟頂端振幅為h=1mm。由于卸載室內(nèi)流過的流量占主流流量小于1%，對主流的影響可忽略不計(jì)，因此在動網(wǎng)格計(jì)算中不考慮由卸載室流過的流體。

2、數(shù)值計(jì)算方法和動網(wǎng)格設(shè)置

　　本文湍流模型采用Fluent中基于realizablek-ε的兩方程的DES模型。DES方法結(jié)合了雷諾平均與大渦模擬技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，在近壁面的附面層內(nèi)采用RANS方法，用realizablek-ε兩方程模型模擬其中的小尺度脈動運(yùn)動;在遠(yuǎn)離物面區(qū)域?qū)⑼牧髂Ｐ秃纳㈨?xiàng)中的湍流尺度參數(shù)用網(wǎng)格尺度與一常數(shù)的乘積代替，使其起Smagorinski大渦模擬的亞格子雷諾應(yīng)力模型的作用。這樣既能在附面層內(nèi)發(fā)揮前者計(jì)算量小的優(yōu)點(diǎn)，又可以在遠(yuǎn)離物面的區(qū)域?qū)Υ蟪叨确蛛x湍流流動進(jìn)行較好的模擬。

　　選取實(shí)際運(yùn)行和�；瘜�(shí)驗(yàn)中閥桿系統(tǒng)振動較大的工況，即相對升程(調(diào)節(jié)閥的絕對升程與配合直徑比值)εL=11%，壓比(調(diào)節(jié)閥出口靜壓與進(jìn)口總壓的比值)ψP=0.8作為計(jì)算工況。進(jìn)口設(shè)為總壓P0=123.5kPa，溫度為298K。出口設(shè)為靜壓，其值P2=98.8kPa，溫度為295K，所選取數(shù)據(jù)均為�；瘜�(shí)驗(yàn)所測。

　　結(jié)合Fluent中UDF函數(shù)和彈簧光順模型可實(shí)現(xiàn)閥碟在東西截面上以不同振幅和頻率按正弦振動。UDF函數(shù)中主要通過式(1)控制振動。

cg_omega=Acos(BTime) (1)

　　式中：cg_omega為在xy平面內(nèi)轉(zhuǎn)動角速度，參數(shù)B控制頻率，A控制振動幅值。Fluent中彈簧光順法把網(wǎng)格的邊理想化為節(jié)點(diǎn)間相互連接的彈簧，網(wǎng)格移動前彈簧組成的系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。在網(wǎng)格邊界節(jié)點(diǎn)發(fā)生位移后，會產(chǎn)生與位移成比例的力，從而由力轉(zhuǎn)化出網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)移動的距離。彈簧光順方法并不將網(wǎng)格質(zhì)量作為網(wǎng)格更新的判斷因素，而只是單純的將邊界運(yùn)動作為參數(shù)擴(kuò)散至計(jì)算域中，因此無需插值，網(wǎng)格拓?fù)涫冀K不變。

　　網(wǎng)格在ICEM中生成且全都為六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，總體網(wǎng)格數(shù)為800萬。網(wǎng)格未發(fā)生移動時(shí)，在ICEM中網(wǎng)格質(zhì)量2項(xiàng)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如下：Determinant2´2´2>0.6，網(wǎng)格角度Angle>18°。使用Fluent計(jì)算時(shí)，當(dāng)網(wǎng)格質(zhì)量Determinant2´2´2>0.2且網(wǎng)格角度Angle>9°就可以確保數(shù)值計(jì)算順利進(jìn)行，由此可見初始時(shí)網(wǎng)格質(zhì)量非常高。為保證閥出口為均勻流和避免回流的產(chǎn)生，將閥出口加長到出口直徑的10倍，加密了喉部和閥碟下方流動變化較為劇烈的區(qū)域網(wǎng)格，保證在此區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格均勻變化和邊界層內(nèi)y+<=5。

　　圖3為沿東西方向中心截面網(wǎng)格和網(wǎng)格變形后的局部示意圖。由圖3可以看出，在閥座喉部區(qū)域網(wǎng)格很密，閥碟周圍第一層網(wǎng)格厚度為0.004mm。若不加以特殊處理，閥碟移動極易使邊界層網(wǎng)格畸變過大而使計(jì)算發(fā)散�？紤]到邊界層內(nèi)流動對流場的巨大影響，同時(shí)為保護(hù)閥碟處邊界層網(wǎng)格，將包圍閥碟部分區(qū)域網(wǎng)格設(shè)置為剛體區(qū)，即在計(jì)算中這部分網(wǎng)格不會變形。而此區(qū)域外的網(wǎng)格設(shè)置為變形區(qū)，即在閥碟移動中這部分網(wǎng)格會產(chǎn)生相應(yīng)的變形，剛體區(qū)域和變形區(qū)域的劃分如圖3所示。通過控制彈簧光順法中兩個參數(shù)：彈簧常數(shù)因子與邊界節(jié)點(diǎn)松弛因子，將網(wǎng)格中較大的變形控制在變形區(qū)域中靠近剛體區(qū)外圍，而保證靠近閥座處較密的網(wǎng)格基本不變。由圖3可以看出，當(dāng)閥碟頂端偏向東側(cè)1mm后喉部網(wǎng)格并沒有發(fā)生畸變。將閥碟頂端偏向東側(cè)1mm的網(wǎng)格重新導(dǎo)入ICEM中，其網(wǎng)格質(zhì)量為：Determinant2´2´2>0.25，網(wǎng)格角度Angle>10°，足以滿足Fluent計(jì)算中對網(wǎng)格的要求動網(wǎng)格常用于調(diào)節(jié)閥在開啟或關(guān)閉計(jì)算中，此時(shí)由于閥碟位移較大使得網(wǎng)格變形量增大，為保證網(wǎng)格在大變形后畸變率低不得已采取較粗的網(wǎng)格，邊界層網(wǎng)格通常難以嚴(yán)格滿足湍流模型的需求。在中小升程下調(diào)節(jié)閥內(nèi)流動往往為復(fù)雜的三維超音速流動，粗網(wǎng)格通常難以精確的捕捉激波、射流分離和邊界層內(nèi)的諸多流動細(xì)節(jié)，因此所得的結(jié)果往往只能定性的分析閥內(nèi)的流動情況。本文在數(shù)值計(jì)算中所采用DES湍流模型雖對流過復(fù)雜機(jī)構(gòu)的高雷諾數(shù)分離流具有非常高的預(yù)測能力，但是DES湍流模型高度的依賴網(wǎng)格尺度、網(wǎng)格質(zhì)量和邊界層內(nèi)的網(wǎng)格布置。針對閥碟小幅振動特性，借助Fluent中彈簧光順模型，創(chuàng)新性的將邊界層網(wǎng)格剛體化，將閥碟移動造成的網(wǎng)格變形“轉(zhuǎn)移”到相對尺寸較大的區(qū)域，既實(shí)現(xiàn)了800萬結(jié)構(gòu)網(wǎng)格網(wǎng)格變形也滿足了湍流模型對網(wǎng)格的需求。

圖3 沿東西方向中心截面初始網(wǎng)格和局部網(wǎng)格變形圖

3、數(shù)值計(jì)算結(jié)果

　　在閥碟下表面沿振動的方向上設(shè)置了兩個監(jiān)測點(diǎn)A1和A2，其位置如圖1中所示。圖4為閥碟靜止?fàn)顟B(tài)下，閥碟上兩測點(diǎn)隨時(shí)間的壓力變化時(shí)域圖，可以看出兩測點(diǎn)處的壓力呈現(xiàn)無規(guī)則的波動狀態(tài)。圖5和圖6是閥桿系統(tǒng)以頻率f=46.4Hz振動閥碟頂端振幅分別為h=0.6mm和h=1mm時(shí)的閥碟上2個測點(diǎn)壓力波動時(shí)域圖，2圖中右側(cè)同時(shí)標(biāo)明了閥碟位移方向。由圖5可以看出當(dāng)閥碟頂端振幅為0.6mm時(shí)，閥碟上壓力測點(diǎn)波動仍呈現(xiàn)隨機(jī)狀態(tài)，并未受到閥碟運(yùn)動的影響。而由圖6可以看出，當(dāng)閥碟頂端振幅為1mm時(shí)，閥碟監(jiān)測點(diǎn)壓力明顯出現(xiàn)了隨閥碟位移變化的周期性波動現(xiàn)象。當(dāng)閥碟運(yùn)動到東側(cè)時(shí)，位于東側(cè)的監(jiān)測點(diǎn)A1的波動明顯增大;當(dāng)閥碟運(yùn)動到西側(cè)時(shí)，位于西側(cè)的監(jiān)測點(diǎn)A2的波動明顯增大。

圖4 兩監(jiān)測點(diǎn)壓力波動時(shí)域圖(閥碟固定)

圖5 兩監(jiān)測點(diǎn)壓力波動時(shí)域圖(h=0.6mm，f=46.4Hz)

圖6 兩監(jiān)測點(diǎn)壓力波動時(shí)域圖(h=1mm，f=46.4Hz)

　　圖7為在計(jì)算中調(diào)節(jié)閥沿進(jìn)口方向中心截面上三種典型的流型。可以看出從兩側(cè)喉部流出的高速射流在閥碟下方區(qū)域某點(diǎn)撞擊后向出口流動。跨音速撞擊射流自身的不穩(wěn)定性使得喉部以后的射流處于不斷的擺動狀態(tài)，撞擊點(diǎn)也在閥碟下方不斷移動。當(dāng)由撞擊形成的高壓區(qū)移動到監(jiān)測點(diǎn)附近時(shí)就會導(dǎo)致監(jiān)測點(diǎn)處壓力脈動增加。當(dāng)閥碟處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，由兩側(cè)喉部流出的高速射流的強(qiáng)度相當(dāng)，高速射流在閥碟下方撞擊后不會出現(xiàn)射流角度發(fā)生較大偏斜的流型，撞擊位置相對遠(yuǎn)離閥碟下方，所以閥碟監(jiān)測點(diǎn)處不會出現(xiàn)明顯的壓力波動。而當(dāng)閥碟在振動中偏向一側(cè)時(shí)(如圖2中閥碟偏向東側(cè)為例)，由西側(cè)較寬的喉部處有更多的流體流過，此時(shí)由西側(cè)喉部流出的流體具有更多的能量推動由東側(cè)喉部流出的高速射流偏向東側(cè)，撞擊點(diǎn)也會更接近監(jiān)測點(diǎn)A1處，導(dǎo)致A1處壓力波動增大。同樣當(dāng)閥碟偏向西側(cè)時(shí)，高速射流撞擊點(diǎn)位置也會轉(zhuǎn)移到A2附近，所以A2的壓力波動也會相應(yīng)增加。

圖7 調(diào)節(jié)閥沿進(jìn)口中心面Ma圖

　　由圖4—6可以看出，當(dāng)閥碟頂端的振幅小于等于0.6mm時(shí)，數(shù)值模擬此調(diào)節(jié)閥內(nèi)流動可以不考慮閥桿系統(tǒng)振動對流場的影響。但當(dāng)閥碟頂端振幅達(dá)到1mm時(shí)，閥內(nèi)的流動明顯受到閥桿系統(tǒng)振動的影響，此時(shí)須對其加以考慮。閥碟頂端振幅主要由閥碟和閥碟套間隙決定，當(dāng)這一間隙足夠大時(shí)，閥桿系統(tǒng)的振動就會引起調(diào)節(jié)閥內(nèi)流場周期性波動，形成流固耦合振動，這種振動往往嚴(yán)重威脅調(diào)節(jié)閥的安全。

　　圖8和圖9為閥碟頂端振幅為h=1mm，振動頻率分別為f=92.8Hz和f=185.6Hz時(shí)的閥碟兩測點(diǎn)壓力波動時(shí)域圖。當(dāng)閥桿系統(tǒng)按照92.8Hz振動時(shí)，兩測點(diǎn)壓力脈動仍隨閥碟位移有明顯的周期變化，但壓力波動已出現(xiàn)了滯后現(xiàn)象。當(dāng)按照185.6Hz振動時(shí)，閥碟測點(diǎn)處雖出現(xiàn)了較大幅度的壓力脈動，但和位移已沒有明顯的周期對應(yīng)關(guān)系。這是由于兩側(cè)高速射流的擺動存在慣性，隨著振動頻率的增加兩側(cè)射流難以及時(shí)跟隨閥碟一起運(yùn)動，所以在監(jiān)測點(diǎn)處也不會呈現(xiàn)明顯的隨閥碟移動的壓力波動。

圖8 兩監(jiān)測點(diǎn)壓力波動時(shí)域圖(h=1mm，f=92.8Hz)

圖9 兩監(jiān)測點(diǎn)壓力波動時(shí)域圖(h=1mm，f=185.6Hz)

4、結(jié)論

　　本文利用FLUNT中動網(wǎng)格模型和UDF函數(shù)，考慮了閥碟在不同振動幅值和振動頻率下對閥內(nèi)流場的影響，得到如下結(jié)論：

　　1)在動網(wǎng)格變形中，采取固定閥碟邊界層處附近的網(wǎng)格使網(wǎng)格在尺度相對較大的位置移動變形。避免了以往動網(wǎng)格變形中由于邊界層網(wǎng)格畸變過大而導(dǎo)致的計(jì)算發(fā)散。這種高質(zhì)量的網(wǎng)格變化方法對調(diào)節(jié)閥內(nèi)利用動網(wǎng)格模擬閥碟移動對閥內(nèi)流場的影響有重要意義。

　　2)動網(wǎng)格計(jì)算表明當(dāng)閥碟頂端振動幅值小于等于0.6mm時(shí)，閥碟上壓力波動為隨機(jī)波動;當(dāng)閥碟頂端振動幅值達(dá)到1mm時(shí)，閥碟上壓力波動呈現(xiàn)隨閥碟位移周期性變化的特點(diǎn)，此時(shí)數(shù)值計(jì)算中應(yīng)考慮到閥桿系統(tǒng)振動對流場的影響。

　　3)隨著閥桿系統(tǒng)振動頻率的增加，由于主流流型變化存在慣性，閥碟上的壓力波動隨閥碟位移出現(xiàn)滯后現(xiàn)象直至周期性波動消失。數(shù)值模擬了閥桿系統(tǒng)按照不同振幅和振動頻率對閥內(nèi)流場的影響，對后續(xù)數(shù)值模擬中是否考慮振動對閥內(nèi)流場的影響提供了參考。