核电闸阀在核电行业中应用广泛，核电阀门在高温、高压、强辐照等极端环境下工作，容易产生热疲劳失效。热疲劳失效的原因主要是阀体与阀盖的材料选择不合理，密封面接触应力大。对于核电阀门，流体控制系统的控制参数为阀体与阀盖的温度，为防止高温高压下运行阀门发生热疲劳破坏，需要对核电闸阀进行流固热耦合分析。本文以某核电站二回路用闸阀为研究对象，利用有限元软件对其进行流固热耦合分析。通过对不同工况下阀门温度场、应力场、流场和结构变形进行仿真分析，得到在不同工况下阀门的温度场和应力场分布规律。结果表明，闸阀在高温、高压、强辐照条件下的温度场和应力分布规律与在一般工况下的结果有很大差异。
一、流固热耦合理论
流固热耦合是流体、固体及温度场共同作用下的一种物理现象，是流体、固体及温度场共同作用下的一个基础问题。在流固热耦合问题中，热力作用和流体压强共同引起的物质形变、流体流强共同引起的温度场变化、物质形变和热力作用引起的物质流特征的变化等3个因素共同作用【1】。
在核动力装置中，阀门在高温、高压液体的共同作用下，不可避免地发生了变形和应力。因此，在阀门完全开启时，需要对阀门进行合理的设计，以避免阀门在开启过程中因承受的压力和变形超出允许范围而导致阀门的失效。在闸门阀门运行过程中，其自身的形变非常微小，且不会对其内部的流场和温升产生太大的影响，
流固热耦合分析是以流体力学和固体力学为基础，以流体和固体的传热与结构变形之间的相互关系为依据，对系统中各单元进行分析。通过流固热耦合分析，可以得到在不同条件下系统中各种物体的温度场、应力场、流场等信息，为结构设计提供依据。系统中，各物体之间都存在着温度差和变形，因此各个物体之间会发生接触热传递，在接触热传导过程中，热应力与热应变成正比，应力与应变成反比。在流固耦合分析中，通过建立流固耦合模型，对系统进行求解。通过求解流固热耦合模型得到各个物体温度场及应力场分布规律。
二、有限元模型的建立
根据闸阀结构和尺寸，建立有限元模型。根据阀门在实际工况下的运行情况，建立温度场分析模型。模型中不考虑流体的对流换热，只考虑热对流换热，在流固耦合分析中的流体主要指工作介质水，其密度取为1.020g/cm3,其温度为273.15℃。 根据结构特点对模型进行网格划分，共划分25436884个节点和17807个单元。其中阀体材料为球墨铸铁（JB 4806-1998）；阀盖材料为不锈钢（304L）。对网格进行优化，减少网格数量。采用接触单元来模拟阀体与阀盖之间的摩擦接触，其作用是防止应力集中和振动影响。流固耦合分析中对接触压力的大小没有要求，可以将接触压力设置为零，这样可以避免在计算中对接触压力进行人为地施加。通过建立合理的耦合关系，实现流场与温度场的耦合分析。由于不同工况下闸阀的开度和流量都是变化的，所以在进行流固耦合分析时要考虑阀门的开度和流量对流场和温度场的影响【2】。
三、材料属性的确定
材料属性主要是指材料的物理力学性能，包括拉伸、压缩、弯曲、剪切、冲击等力学性能。同时，还要考虑温度变化对材料性能的影响。在分析过程中，闸阀的材料选择按照以下原则：（一）在保证闸阀密封性能的前提下，选取与材料力学性能最接近的材料。根据闸阀实际工况选择材料，即选择H13和H04两种常用金属材料。（二）根据密封面的使用工况，在满足密封性能的前提下，选择与密封面接触面积最大的材料。由于闸阀结构尺寸较小，因此选择了两种常用材料与其接触，即 PTFE和不锈钢。（三）对于阀门阀体、阀盖等主要接触部位，采用了不锈钢进行选择，尽量避免使用高碳钢进行加工。在实际操作中，不锈钢强度和韧性均优于H13钢。
四、边界条件
闸阀工作介质为水，阀门内部的传热问题采用边界条件。阀体与阀盖之间采用全过流，流固耦合条件下的传热是由两个边界条件确定的。阀门结构上的热源，在流固热耦合分析中作为附加载荷施加，两个边界条件之间相互影响，所以采用固定边界条件。流体的进口边界条件为温度出口边界条件，即入口温度为85℃；出口边界条件为压力出口边界条件，即出口压力为0.5 MPa。分析时，将阀门的两个主要表面都定义为壁面。由于阀门主要在水平管道上运行，所以只需要将水平方向的热交换作为约束加载到流体的进口边界条件中即可。因此本文中的对流换热系数采用0.5 MPa/s【3】。
五、网格划分
根据结构特点和网格划分方法，对核电闸阀进行网格划分。流固耦合分析中，流体和固体的边界条件比较复杂，需要考虑温度场与应力场的耦合。因此，网格划分应保证模型的整体性和计算精度。 根据流体力学理论，通过控制入口和出口边界条件可以建立整体温度场的方程组，结合 ANSYS软件中的 UDF功能将计算方程组以流固耦合的方式传递给有限元模型进行求解，最后将得到的结果返回到计算模型中进行对比分析。 本研究采用 ANSYS软件中的 ICEM CFD模块对核电闸阀进行网格划分。在网格划分过程中，尽量保证各部分之间相互独立，减少节点数目，以保证模型能够在各个方向上满足精度要求。
六、流固耦合计算结果与分析
流固耦合分析是在两个物理场之间进行的，即在两个物理场之间建立耦合的关系。当流体系统和固体系统相互作用时，可以通过求解耦合方程组，把流体系统的压力、温度等信息传递给固体系统，并同时把固体系统的应力、变形等信息传递给流体系统，从而实现流体和固体相互作用。在实际工程中，一般是先把两个物理场进行耦合，然后再把两个物理场的结果进行耦合，从而实现两个物理场的耦合。 对于核电闸阀来说，首先需要确定流固耦合分析的边界条件，然后进行流固耦合计算。本文将流固热耦合分析过程分为3个子过程：初始状态、边界条件和稳态计算。其中在稳态计算中将流体的温度、压力和速度等参数作为边界条件添加到求解器中【4】。
结束语：
1.流固热耦合分析可以较好地模拟核电闸阀在高温、高压、强辐照等极端环境下的温度场、应力场和流场分布规律。2.通过流固热耦合仿真分析得到的温度场和应力场与一般工况下的结果有很大差异，可以看出高温高压核电站阀门在密封面温度较高时，易出现热疲劳失效。3.通过流固热耦合仿真分析可以得出闸阀在正常工况和极端工况下的密封面接触应力，为核电阀门密封面的选择提供参考。4.流固热耦合仿真分析可以得到核电闸阀在不同工况下的流场分布规律，可以为阀门结构和材料的选择提供参考，同时也为核电站阀门在极端工况下的安全运行提供理论依据。
参考文献：
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