1、核电站热工水力CFD分析方案及案例1大纲背景与需求分析基于CFD的研究分析方案简介应用实例价值与优势小结2核电站系统原理图一回路（核岛）二回路（常规岛）安全注射系统主蒸汽系统反应堆冷却剂系统安全壳喷淋系统化学和容积控制系统凝结水给水系统事故给水系统循环水系统主蒸汽排放系统3核电站的废物处理系统4核电一二回路系统运行过程中介质会有水汽水汽相变相变的复杂过程。设备启停、调阀过程中，系统中会出现汽锤、水汽锤、水锤、气穴锤、气穴等不利现象，一定的危害性，设计时需进行考虑，满足安全准则要求。泵的调速/切换、阀的动态调节是由控制系统控制系统实现的，如何考虑控制系统对热流体系统工作特性的影响。系统中加压泵、
2、流量调节阀、孔板等各类关键部件在系统中的工作系统中的工作特性特性及其匹及其匹配性配性。复杂管网如何设计孔板或调阀，使管网各用户流量均满足设计要求，即流量配流量配平问题平问题。系统可靠性设计问题可靠性设计问题对工程师来说，也是一项非常严峻的挑战，如安全壳非能动冷却系统。物理试验存在固有局限性，如试验周期长、试验成本高、难以搭建试验台等，如何通过仿真获得更多的数据通过仿真获得更多的数据。需求分析5泵、阀泵、阀等设备性能能否满足设计要求，避免出现调试时才发现设备问题的现象。设计阶段，蒸汽发生器蒸汽发生器等换热器无法提供实验数据，如何进行性能预测。如何提高燃料棒燃料棒的换热系数，尽可能地提高换热效率。
3、地震时，水箱内水的晃动水的晃动是否会造成常压水箱损坏。需求分析（续）6大纲背景与需求分析基于CFD的研究分析方案简介应用实例价值与优势小结7核电站是一个庞大的、复杂的系统，涉及到成千上万台设备，如堆芯压力容器、换热器、泵、阀等按照物理问题进行分类，可分为：（1）管网系统水力、热工问题；（2）普通流动问题，如管道流、阻力（加压）设备流等（3）高速流动问题，如液体气蚀现象、气体超声速等（4）换热问题，如热交换器、堆芯等（5）两相流问题（无相变），如地震时箱体晃动、非满管流动等（6）相变问题，如蒸汽发生器、冷凝器等（7）蒸汽问题，如大气排放阀、稳压器卸压箱等 核电CFD问题分类8（1）管网系统水力、
4、热工问题通用管网水力软件，如PipeNet、AFT等通用管网水力热工软件，如Flowmaster、Relap5等（2）普通流动问题通用CFD软件，如FLUENT、CFX、STARCD等行业专用CFD软件，如泵阀专用软件Pumplinx等（3）高速流动问题通用CFD软件，如FLUENT、CFX、STARCD等（4）换热问题通用CFD软件，如FLUENT、CFX、STARCD等专用CFD软件，如FLOTHERM、RADTHERM等各种问题的仿真解决方案9（5）两相流问题通用CFD软件，如FLUENT、CFX、STARCD等专用软件，如气液界面专家软件Flow3D，气（液）固专家软件EDEM等（6）
5、相变问题气固、液固问题，可采用通用CFD软件，如FLUENT、CFX、STARCD等气液相变问题采用FLUENT、STARCD等商业软件或自开发程序（7）蒸汽问题无相变可采用通用CFD软件有相变时，需开发程序嵌入蒸汽物性，基于焓进行求解，需自开发程序或基于商业软件进行二次开发各种问题的解决方案10专业化、工程化的CFD解决方案FloEFD：全球领先的同步CFD分析方案，完全嵌入MCAD系统中之中，直接使用原始结构模型，自动识别、建立流体域，自动划分网格，支持迭代式分析与优化设计FloTHERM：电子冷却主导的专业CFD软件，全球电子散热CFD分析70%以上的市场占有率，行业规范与事实标准Flo
6、VENT：舱室、HVAC与建筑流场CFD分析专家，可开展浓度扩散、通风效能、污染物移除效能、温度、湿度、对流、传导、热辐射的热效应、舒适度等分析PumpLinx：运动机械CFD模拟专家，内置各类泵、阀、风扇与压缩机模板，提供转子区动网格模板，自适应笛卡尔网格技术，具备完备的空化与汽蚀模型Flow-3D：通用CFD软件，功能全面，自由液面模型的提出者，处理液面晃动与非满流问题的首选Flowmaster：热流体系统仿真软件，应用领域涵盖核电一、二回路主辅系统，国内外核电工业广泛应用11Flowmaster简介Flowmaster是专业的热流体系统仿真软件，美国Mentor Graphics公司产品
7、。通过系统仿真帮助工程师设计、验证、优化复杂的流体系统：压力，温度，流量，传热量，干度等参数预测稳态/瞬态流动换热分析不可压缩流体&可压缩流体 液体&气体，空调系统部件选型与系统匹配分析汽液相变两相流分析求解器数据库+专业版本系数矩阵迭代求解元件库（400多类）、物性库、脚本库、超过20000小时的物理试验数据库能源电力版：大量能源电力行业的专用元件，如蒸汽发生器、冷凝器、闪蒸箱、过热器、锅炉、疏水阀12众多的泵阀模板参数化建模使仿真过程简洁、高效！参数化建模使仿真过程简洁、高效！PumpLinx是美国Simerics公司针对泵、阀数值模拟而开发的一款CFD软件，用于预测流动及空化状况。Pum
8、plinx简介13Flow3D介绍耦合液体晃动 容器的动力学液体晃动:液体相对容器的运动容器:水瓶、油箱等尤其专注于箱体的液体晃动14EDEM-Fluent耦合方案及应用 EDEM可以和Fluent进行耦合，在颗粒级别上对气固/液固两相流动进行模拟；该耦合增强了CFD模拟多相流的能力，如：粒径分布、颗粒形状、颗粒的运动、颗粒的碰撞、颗粒表面状况等，适用于固相浓度0%100%15MpCCI（Mesh-based parallel Code Coupling Interface）由德国SCAI开发，SCAI下属于Fraunhofer-Gesellschaft（弗劳恩霍夫应用研究促进协会）德国也是欧
9、洲最大的应用科学研究机构多学科、多维度、多模型耦合的行业标准国内外在核电站地震响应分析、主蒸汽阀热应力及疲劳强度分析、管路热分层等问题上，已广泛采用MpCCI来解决基于MpCCI的多场耦合分析方案概况MpCCI支持的主要CAE软件16大纲背景与需求分析基于CFD的研究分析方案简介应用实例价值与优势小结17系统级系统级1D CFD方案方案Flowmaster系统级系统级3D CFD方案方案-PumpLinx3D CFD-FloEFD及其它各类及其它各类CFD软件软件部件级部件级-系统级链式系统级链式CFDCFD解决方案解决方案18通风系统-某舱室通风CFD联合分析19PCS系统储水箱回路示意图
10、PCCWST系统1D-3D 联合分析 201D+3D联合仿真：Flowmaster、3D CFD软件和MpCCI。排水管非满流由VOF模型求解，储水箱环路由Flowmaster来建模求解，对PCCWST的水装量和排水流量进行论证。PCCWST系统1D-3D 联合分析 21主蒸汽阀是一个重要的关键设备。在单纯进行有限元分析时，其一般方法是定义所有简单的边界条件将整个阀门内表面传热系数设置为一个固定的相同值（如=10.0 W/m2K）。在结果方面：疲劳程度高，也无法评估这种处理方法是否对所有的情况都是保守的。流固耦合计算可以提供可靠的边界条件，避免单纯有限元仿真的弱点。从耦合仿真结果看出流速存在巨
11、大的差异，最大流速为85m/s。最小流速区域不到10m/s，这一区域壁面上的热传递和热载荷没那么强烈。低于1.0 W/m2K的传热系数会在壁面和蒸汽之间产生相当的温度差，因此简单的边界条件（10.0 W/m2K）过于保守。基于MpCCI的主蒸汽阀热应力和疲劳分析蒸汽阀耦合仿真结果22系统级水锤特性分析 对于由于泵的特性变化、阀门动作、LOKA产生的压力脉动在整个管道系统内的传播、叠加现象需开展相应研究工作。Flowmaster可高效、精确地分析整个管道系统内的压力、温度、流速等参数。23系统级CFD压力脉动分析24水箱晃动分析 水箱中间有一隔板，隔板上有通孔，使两个区域保持联通。在一定的晃动激
12、励下，水箱底暴露。如果有高温散热设备，有可能带来损坏。25水箱晃动分析是否静力分析材料参数强度是否满足要求结束油箱有限元模型模型修改惯性载荷流体载荷重力载荷边界约束26核级泵性能分析PumpLinx程序验证程序验证（第三（第三代非能动标准堆型）代非能动标准堆型）某某泵泵性能预测性能预测仿真仿真（扩容（扩容堆型）堆型）含气率对泵空化汽蚀的影含气率对泵空化汽蚀的影响响分析（标准和扩容堆型）分析（标准和扩容堆型）泵实验台架分析（扩容堆型）泵实验台架分析（扩容堆型）27核级泵性能分析验证7080901001101201300200400600扬程扬程H/m流量流量Q/m3/h实验数值扬程扬程流量曲线实
13、验数值对比流量曲线实验数值对比70901101301501701902100200400600功率功率/KW流量流量Q/m3/h实验数值 功率功率流量曲线流量曲线实验数值对比实验数值对比253545556575850200400600效率效率/%流量流量Q/m3/h实验数值效率效率流量曲线流量曲线实验数值对比实验数值对比100101102103104105106107108050000100000150000扬程扬程/m入口总压入口总压/Pa设计流量点扬程设计流量点扬程入口总压曲线入口总压曲线28核级泵性能分析性能预测11411611812012212412612813002004006008
14、00扬程m流量m3/h1101121141161181201221241260200400600800扬程m流量m3/hA 壁面无粗糙度壁面无粗糙度B 壁面有粗糙度壁面有粗糙度01020304050607080900200400600800效率%流量m3/h01020304050607080900100200300400500600700效率%流量m3/hA 壁面无粗糙度壁面无粗糙度B 壁面有粗糙度壁面有粗糙度29核级泵性能分析含气率影响GVF出口总压/kPa 扬程/m 功率/W效率/%2.31057.993.561670010.75041052.793.021667880.74751052.
15、893.031666250.74861048.292.551662110.74671047.392.451660510.74581044.592.171658920.74491042.791.981657730.743101040.791.771656050.742111037.991.481652520.741121036.191.291650030.74186889092942.3 579 11 13 15 17 19扬程扬程30核级泵性能分析泵台架仿真计算方式：定常计算计算方式：定常计算计算模型：湍流计算模型：湍流+空化空化仿真时间：仿真时间：2小时小时80001000012000140
16、001600018000050100流量流量m/h开度开度/%开度开度流量流量405060708090100110120130050100扬程扬程/m开度开度/%开度开度扬程扬程31蒸汽发生器技术要求：蒸汽发生器传热管及其内部结构设计需考虑在运行状态和设计基准事故工况（如蒸汽管道破裂事故）下，预期出现的最大应力和最严重的疲劳状况。需优化蒸汽发生器内的流场以防止存在滞流区域（避免沉淀物积累）需优化蒸汽发生器内的流场以防止存在滞流区域（避免沉淀物积累）和传热管中不可接受的流致振动。和传热管中不可接受的流致振动。32模拟了216根U形换热管由于换热管区域管道很密，在此采用多孔介质来进行简化模拟仿真结
17、果与实测偏差仅约10%Courtesy of the US Nuclear Regulatory Commission蒸汽发生器33燃料棒自然循环冷却燃料组件主要由缠绕金属绕丝的燃料棒按照三角形栅格装入六角形外套管而构成。根据栅格排列方式，组件中燃料棒数目总共近200根。采用六面体结构化网格k-e模型考虑浮力壁面绝热进行稳态计算。34燃料棒自然循环冷却绕丝区域采用UDF进行了标记燃料棒衰变热功率通过UDF来定义氩气物性通过UDF来定义35大纲背景与需求分析基于CFD的研究分析方案简介应用实例价值与优势小结36总结虚拟产品研发提升竞争性和创新能力的必备环节CAE仿真产品优化设计不可或缺的重要工具海基提供多学科联合的专业化与工程化CAE工具以及完备而成熟的仿真分析方案，并提供切实而高效的仿真业务管理平台与试验数据管理平台海基愿与客户共同面对复杂工程问题的挑战与技术攻坚，助力企业研发实力的提升
