本文是由Li Wu、Jian Xiao、Hong Chen、Jia Li、Songzhi Jiang和Tongmin Wang共同撰写的研究论文，题为《A Three-Dimensional Computational Analysis of One-Way Fluid-Structure Coupling in Main Steam Isolation Valve》（主蒸汽隔离阀单向流固耦合的三维计算分析）。该论文于2014年发表在《Nuclear Technology》期刊上，卷号为188，页码为78-82。研究团队主要来自大连理工大学材料科学与工程学院以及大连DV阀门有限公司。
主蒸汽隔离阀（Main Steam Isolation Valve, MSIV）是核蒸汽供应系统中的关键部件，其主要功能是在蒸汽管道发生破裂时迅速关闭，以防止核反应堆的进一步损坏。MSIV的关闭必须在规定的时间内完成，通常为3至6秒。由于蒸汽的高流速和高压，阀门的结构完整性至关重要。传统的实验方法难以全面评估阀门在极端条件下的响应，因此计算分析成为研究阀门性能的重要手段。本文旨在通过数值模拟方法，研究流体流动对阀门结构性能的影响，特别是通过单向流固耦合（one-way fluid-structure coupling）分析，评估阀门在关闭过程中的变形和应力分布。
研究采用了三维计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）和有限元分析（Finite Element Analysis, FEA）相结合的方法，具体流程如下：
几何建模与网格划分
研究首先使用SolidWorks软件建立了MSIV的三维几何模型，模型基于大连DV阀门有限公司生产的商用阀门。为了研究不同阀门开度下的流体流动和结构响应，研究选择了五种典型的阀门开度（500 mm、250 mm、125 mm、10 mm和完全关闭）进行分析。随后，使用ANSYS Workbench对流体和结构域进行网格划分。流体域和结构域的网格分别包含145,069和93,353个单元，网格类型为非结构化网格，以确保在几何突变区域的网格精度。
流体动力学计算
流体动力学计算使用ANSYS Fluent软件进行。假设流体为不可压缩的饱和蒸汽，密度为64.6 kg/m³，粘度为2.135×10⁻⁵ kg/(m·s)。入口边界条件设置为质量流量（3400吨/小时），出口边界条件设置为压力边界条件（表压为0）。通过求解质量守恒和动量守恒方程，计算流体在阀门内的压力场和速度场。
结构力学分析
结构力学分析使用ANSYS Workbench进行，采用单向流固耦合方法。流体计算得到的压力场作为载荷施加到阀门结构上，计算阀门的变形和应力分布。阀门的主要部件（如阀体、阀盘、阀座、阀盖和阀杆）分别由A105碳钢、A216-WCB铸钢和A564-630不锈钢制成。
结果分析与验证
研究通过模拟得到了不同阀门开度下的压力分布、变形和应力分布。结果表明，阀门的主要压力降发生在喉部路径，阀盘底部的变形随阀门开度的减小而增加，最大变形出现在阀盘接近阀座时。研究还通过比较关键部件的最大膜应力与材料的许用应力，验证了阀门设计的安全性。
压力分布
模拟结果显示，阀门入口压力为7.6 MPa，出口压力急剧下降至1 atm。主要压力降发生在喉部路径，这是由于阀盘对流体流动的阻碍作用。在喉部路径附近，流体流动方向难以在短时间内改变，导致回流现象。
变形分析
阀盘底部的变形随阀门开度的减小而增加。当阀门接近关闭时，阀盘底部的变形达到最大值（约117 mm）。完全关闭时，变形显著减小，最大变形转移到阀盘中心。
应力分析
通过比较七个关键部件的最大膜应力与材料的许用应力，研究验证了阀门设计的安全性。所有关键部件的最大膜应力均低于材料的许用应力，表明阀门在给定工况下具有足够的安全性。
本文通过三维数值模拟，研究了主蒸汽隔离阀在关闭过程中的流固耦合行为，得出了以下结论： 1. 阀门的主要压力降发生在喉部路径，流体流动对阀盘底部的变形有显著影响。 2. 阀门设计在给定工况下是安全的，所有关键部件的最大膜应力均低于材料的许用应力。 3. 阀盘底部的变形随阀门开度的减小而增加，最大变形出现在阀盘接近阀座时。
该研究为核电站主蒸汽隔离阀的设计和优化提供了重要的理论依据，具有较高的科学价值和工程应用价值。通过数值模拟方法，研究团队能够在不依赖实验的情况下，全面评估阀门在极端工况下的性能，为核电站的安全运行提供了有力支持。
本文的研究得到了中国国家自然科学基金（No. 51274054）、中国教育部重点资助项目（No. 313011）以及辽宁省百千万人才工程的支持。这些资助为研究的顺利进行提供了重要保障。