【摘 要】
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由于来自堆芯不同类型组件冷却剂的温度和流速各不相同,快堆堆芯出口处冷却剂的搅混会引发流体温度振荡现象。流体的温度振荡会传递到堆芯出口处的中心测量柱等部件的固体内部,同时,固体温度的变化又反过来会影响到流体的温度振荡,流体与固体之间有较强的流固热耦合效应。中心测量柱等部件由于这种效应可能发生高周疲劳损伤。为了确保反应堆的安全运行,有必要对这种流固热耦合流体温度振荡开展研究。为了评估固体部件由于温度振
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由于来自堆芯不同类型组件冷却剂的温度和流速各不相同,快堆堆芯出口处冷却剂的搅混会引发流体温度振荡现象。流体的温度振荡会传递到堆芯出口处的中心测量柱等部件的固体内部,同时,固体温度的变化又反过来会影响到流体的温度振荡,流体与固体之间有较强的流固热耦合效应。中心测量柱等部件由于这种效应可能发生高周疲劳损伤。为了确保反应堆的安全运行,有必要对这种流固热耦合流体温度振荡开展研究。为了评估固体部件由于温度振荡带来的热损伤,工程上主要采用流固热分离模拟方法,该方法认为从流体到固体进行完美的热量传递,直接将流体温度振荡参数作为壁面温度振荡边界来计算结构部件的热应力,其结果更为保守。实际上,如前所述,流体与固体的温度是相互影响的,有必要进行耦合计算,以获得更为精准的计算结果。本文基于三操作头模型开展堆芯出口流体温度振荡流固热耦合模拟,并与流固热分离模拟方法进行对比分析,对流固热分离模拟的保守程度进行定量评价。首先基于Workbench软件,采用大涡模拟方法,与基于三操作头模型的堆芯出口流体温度振荡流固热耦合实验结果进行对比,验证流固热耦合模拟方法的正确性。其次将流固热耦合模拟方法与流固热分离模拟方法的结果进行对比,研究流体域温度和速度场的分布特性,固体域温度、位移及热应力的时空分布规律,得到以下结论:由于薄壁厚导热对流体域温度振荡影响小,流固热分离与流固热耦合模拟均与流体温度实验数据吻合良好。流体温度和速度场类似,沿水平方向上的温度分布区别不大。对于远离近壁面处的流体域温度分布差别不大,而流固热耦合模拟在近壁面处流体域体现出温度振荡衰减的特性;由于流固热分离模拟将对流换热系数和环境温度曲线直接加载到流固交界面上,流固热耦合模拟结果与流固交界面和固体温度实验数据吻合更好,流固热分离模拟温度振荡偏大值为14.4K,保守度偏大11倍。以沿高度方向上最具代表性的温度分布为例,流固热耦合模拟由于温度振荡随高度增加而衰减,从工质为水到材料为铝温度振荡范围降低,从12.6K下降到3.0K,而流固热分离模拟从11.2K变化为15.8K,流固热耦合模拟流固交界面平均对流换热系数最大值为1478W/（m~2 K）;同理,流固热耦合与流固热分离模拟最小y方向上的位移分量分别为-0.029mm和-0.075mm,y方向上的位移分量偏大值为0.046mm,保守度偏大1倍。流固热耦合与热分离模拟最大等效应力分别为6.87MPa和34.15MPa,等效应力的偏大值为27.28MPa,保守度偏大3倍;流固热耦合模拟中心测量柱温度、y方向上的位移分量和等效应力分布分别随高度升高而降低、升高和降低,中心测量柱下封头靠近热回路出口处由于温度振荡剧烈,温度、y方向上的位移分量和等效应力分别最高、最低和最高,靠近冷回路出口处温度、y方向上的位移分量和等效应力分别最低、最高和最低。由于流固热分离模拟将对流换热系数和环境温度曲线直接加载到流固交界面上,该模拟中心测量柱温度场、位移场和应力场呈轴对称分布。
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