一种安全壳整体打压试验中壳内气固交互作用的分析方法

摘要

本发明属于仿真计算技术领域，具体涉及一种安全壳整体打压试验中壳内气固交互作用的分析方法。包括如下步骤：步骤1：选择计算流体动力学和固体域受力分析软件平台，对分析采用的计算机提出硬件配置要求；步骤2：建立流体域和固体域几何仿真模型；步骤3：对流体计算域和固体域进行网格划分；步骤4：定义流体域计算边界条件；步骤5：选择湍流模型；步骤6：确定残差收敛准则和计算时间步长；步骤7：采用隐式求解器进行瞬态非线性求解；步骤8：对计算结果进行处理。有益效果在于：(1)通过建立安全壳整体打压试验充压速率提升壳内气体物理状态的高保真仿真分析模型，可实现充压速率提升后壳内气体物理状态的全方位评估。

说明书

技术领域

本发明属于仿真计算技术领域，具体涉及一种安全壳整体打压试验中壳内气固交互作用的分析方法。

背景技术

安全壳整体打压试验是核电厂调试及商运期间核安全相关的重大专项试验之一，机组在役后，需要按照规定的试验周期开展试验，具有风险高、组织复杂、占用大修关键路径时间长的特点。它用干空气以一定的速率把安全壳充压至设计压力，来模拟设计基准事故工况下安全壳内的压力，以验证作为核安全屏障的安全壳及其附属部件的密封和结构性能是否满足要求。

安全壳整体打压试验的封岛要求将导致该试验开展时，核岛内的其他大修工作暂停，独占核岛工期较长时间，当前，以国内的压水堆机组为例，普遍耗时在90小时到100小时不等，对大修主线有着很大的影响。安全提升安全壳充压速率，是缩短安全壳整体打压试验时间的重要高效手段，也是核电行业的迫切需求。鉴于安全壳整体打压试验对象涵盖安全壳及其内部的众多设备，在役安全壳进行充压速率提升研究不具备实际操作可能，建立原型壳的缩尺模型虽具备技术上的可行性，但试验成本高、周期长，且由于各种安全壳结构形式的差异，试验难以覆盖每种堆型。

发明内容

本发明的目的是提供一种安全壳整体打压试验中壳内气固交互作用的分析方法，可实现安全壳整体打压试验充压速率提升前后壳内气体物理状态分析：通过数值仿真，获得充压过程安全壳内气体速度变化情况，判断充气口射流影响范围，评估充压速率提升后气体惯性力大小；获得安全壳内气体压力场大小，评估气体压力梯度；获得安全壳内气体温度变化情况，评估充压速率提升引起的升温幅值变化以及温度稳定时间。在获取充压速率提升后的气体物理状态的基础上，仿真气体与安全壳及其壳内重要设备的交互作用，最终可实现充压速率提升对安全壳整体打压试验影响的评估。

本发明的技术方案如下：一种安全壳整体打压试验中壳内气固交互作用的分析方法，包括如下步骤：

步骤1：选择计算流体动力学和固体域受力分析软件平台，对分析采用的计算机提出硬件配置要求；

步骤2：建立流体域和固体域几何仿真模型；

步骤3：对流体计算域和固体域进行网格划分；

步骤4：定义流体域计算边界条件；

步骤5：选择湍流模型；

步骤6：确定残差收敛准则和计算时间步长；

步骤7：采用隐式求解器进行瞬态非线性求解；

步骤8：对计算结果进行处理。

所述的步骤1中的软件平台选择ABAQUS、STAR CCM+、ANSYS Fluent。

所述的步骤1中的计算机提出硬件配置要求包括CPU核数不小于16核、内存大小不小于32G、硬盘容量不小于1T。

所述的步骤2根据安全壳结构图纸、壳内厂房和设备图纸提供的信息，建立结构空间布置的三维模型，通过体积抽取方式建立安全壳内流体域几何模型，流体几何模型中各部位尺寸与实际结构一致；流体各区域联通情况需符合实际。

所述的步骤3网格质量通过网格斜度来表征，网格斜度不超过0.8；采用软件平台提供的共享拓扑功能来进行流体与固体交接界面网格划分。

所述的步骤4入口边界采用质量流率，具体数值根据安全壳打压试验速率和安全壳内容积确定，计算公式如下，由理想气体方程，可得壳内气体质量与气体压力的关系：

δM＝μ(δPV)/RT

式中：δM为单位时间壳内气体增加的质量，单位为kg；μ气体的摩尔质量，单位为kg/mol；δP壳内气体单位时间内增加的压强，单位为Pa；V壳内自由容积，单位为m

所述的步骤5中的湍流模型采用流体计算中的Spalart-Allmaras模型、k-ε模型、k-ω模型。

所述的步骤6中的安全壳充压过程计算属于瞬态非线性计算，采用迭代求解，质量容差取为1×10

所述的步骤7中对不收敛的情况通过减小计算时间步长、增加迭代步数、减小松弛因子来改善收敛情况。

所述的步骤8中包括分析不同充压速率下壳内气体压力场、速度场和温度场随充压时间的变化情况，明确充气口射流影响范围、评估气体惯性力和摩擦生热情况、给出充压速率提升后对安全壳结构及壳内设备的影响情况以及气体稳定时间。

本发明的有益效果在于：(1)通过建立安全壳整体打压试验充压速率提升壳内气体物理状态的高保真仿真分析模型，可实现充压速率提升后壳内气体物理状态的全方位评估，突破实际打压试验中测点数量有限的约束；(2)通过仿真分析模型，替代缩尺模型试验，在显著降低人力、物力成本的同时，全面评估充压速率提升后的气体对安全壳及其壳内设备的影响，论证了安全可行的充压速率上限，为充压速率提升后的试验方案优化提供指导。

附图说明

图1为本发明所提供的一种安全壳整体打压试验中壳内气固交互作用的分析方法流程图；

图2为某压水堆核电厂垂直充气口截面15kPa/h充压速率仿真速度场情况；

图3为某压水堆核电厂垂直充气口截面40kPa/h充压速率仿真速度场情况；

图4为某压水堆核电厂截面15kPa/h充压速率仿真速度场情况(Z＝23m)；

图5为某压水堆核电厂截面40kPa/h充压速率仿真速度场情况(Z＝23m)；

图6为某压水堆核电厂壳内设备15kPa/h充压速率变形结果；

图7为某压水堆核电厂壳内设备40kPa/h充压速率变形结果；

图8为某压水堆核电厂壳内设备15kPa/h充压速率应力结果；

图9为某压水堆核电厂壳内设备40kPa/h充压速率应力结果。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

为了评估安全壳整体打压试验充压速率提升带来的影响，需要分析充压速率提升引起的壳内气体物理状态变化、气体物理状态变化前后对安全壳及其壳内重要设备交互作用情况，本发明提出了一种安全壳整体打压试验充压过程壳内气体和固体交互作用分析方法。

为实现上述目的，本发明提供的一种安全壳整体打压试验中壳内气固交互作用的分析方法，包括如下步骤：

步骤1：选择计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics简称：CFD)和固体域受力分析软件平台，如ABAQUS、STAR CCM+、ANSYS Fluent；对分析采用的计算机提出硬件配置要求，包括CPU核数(宜不小于16核)、内存大小(宜不小于32G)、硬盘容量(宜不小于1T)。

步骤2：建立流体域和固体域几何仿真模型；

根据安全壳结构图纸、壳内厂房和设备图纸提供的信息，建立结构空间布置的三维模型，通过体积抽取方式建立安全壳内流体域几何模型。流体几何模型中各部位尺寸与实际结构一致；流体各区域联通情况需符合实际；壳内气体与固体的接触界面(如墙壁、设备表面等)需准确。对于固体结构，需准确建立穹顶、环梁、筒身、筏基以及水平向、竖向和穹顶预应力钢束等部件的数值分析模型，固体结构模型中，各构件尺寸要精确到厘米级。

步骤3：对流体计算域和固体域进行网格划分，严格控制网格质量，网格质量可通过网格斜度来表征，网格斜度不超过0.8；应考虑流体与固体交界面网格的协调性，可采用软件平台提供的共享拓扑功能来进行流体与固体交接界面网格划分。

步骤4：定义流体域计算边界条件，入口边界采用质量流率，具体数值可根据安全壳打压试验速率和安全壳内容积确定，计算公式如下，根据实测温度数据定义流体与固体交接面的温度条件。

由理想气体方程，可得壳内气体质量与气体压力的关系：

δM＝μ(δPV)/RT

式中：δM为单位时间壳内气体增加的质量，单位为kg；μ气体的摩尔质量，单位为kg/mol；δP壳内气体单位时间内增加的压强，单位为Pa；V壳内自由容积，单位为m

步骤5：选择湍流模型，湍流模型可采用流体计算中成熟的Spalart-Allmaras模型、k-ε模型、k-ω模型等。

步骤6：确定残差收敛准则和计算时间步长，安全壳充压过程计算属于瞬态非线性计算，需要采用迭代求解，因此要对气体质量、速度、能量及湍流模型参数制定残差容许值和合适的计算时间步长，质量容差取为1×10

步骤7：采用隐式求解器进行瞬态非线性求解，对不收敛的情况可通过减小计算时间步长(时间步长宜不超过1S)、增加迭代步数(迭代步数宜不小于20)、减小松弛因子(如压力松弛因子取小于0.3，动量松弛因子取小于0.7)等方式改善收敛情况。

步骤8：对计算结果进行处理，分析不同充压速率下壳内气体压力场、速度场和温度场随充压时间的变化情况，明确充气口射流影响范围、评估气体惯性力和摩擦生热(充压全过程壳内气体平均温升和最大温升值)情况、给出充压速率提升后对安全壳结构及壳内设备的影响情况以及气体稳定时间(稳压平台气体压力、速度和温度随时间的变化曲线)等。

评估每种安全壳堆型充压速率提升前后壳内气体的压力场、速度场和温度场等物理状态参数以及安全壳内气固交互作用时，按照上文第4节的技术方案和第5节的分析流程逐个环节开展建模分析工作。