基于OpenFOAM的核电蒸汽发生器传热管流固流耦合数值模拟

论文摘要

核电蒸汽发生器是核电站的关键设备之一,连接着发电机组的一回路与二回路,其安全性直接关系到核电站的运行安全。蒸汽发生器中的传热管经常会因为高温高压介质的流动产生振动,即所谓的流致振动,长时间的振动会导致传热管出现微动磨损甚至破裂。流致振动是典型的流固耦合现象之一。因此,开展核电蒸汽发生器传热管流致振动现象的研究十分有必要。目前,国内外学者对于核电蒸汽发生器传热管的流固耦合已经做了许多实验方面以及理论方面的研究,但是在数值计算上还非常欠缺。大多数研究主要考虑外部流体对于管道的影响,将内部流体简化为一附加质量。将传热管内外部流体流动同时解算,分析传热管流固耦合现象的研究很少,并且对于绝大多数计算流体力学软件都无法直接使用求解器对此类问题进行求解。事实上,核电用传热管除了受到外部流体的复杂作用,在很大程度上也受到内部流场复杂的影响。本文结合了计算流体力学和流固耦合算法的基本理论,开展了核电蒸汽发生器传热管流致振动问题的研究。主要内容如下:总结并分析了开源流体计算软件OpenFOAM使用有限体积法对计算域进行离散和流固耦合的实现过程。在现有流固耦合求解器的基础上进行修改,使其可以一次求解两流体单固体的流固耦合问题,即流固流耦合(FSFI)。使用标准算例对流固耦合求解器进行验证,同时也通过受横向载荷作用的传热管算例验证所开发的流固流耦合求解器的可靠性。基于流固流耦合求解器,考虑内外部流体的影响,综合研究了核电蒸汽发生器传热管在不同外流速度、壁厚、支撑板间距下的振动特性,为核电蒸汽发生器的设计和安全运行提供理论依据。研究结果表明,外侧流速对于传热管的振动特性没有明显的变化;随着壁厚的增大,固有频率和振动频率也会增大而振幅下降;在远离支撑板的位置的振幅要明显大于支撑板处的振幅。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 选题背景及意义
•   1.2 核电蒸汽发生器结构与传热管研究现状
•     1.2.1 蒸汽发生器的种类
•     1.2.2 蒸汽发生器的工作原理
•     1.2.3 核电蒸汽发生器结构
•     1.2.4 蒸汽发生器传热管的流致振动
•   1.3 流固耦合问题数值理论的发展现状
•     1.3.1 流固耦合动力学概述
•     1.3.2 流固耦合问题数值计算
•   1.4 本文主要的研究内容
• 第2章 流固耦合数值方法基础
•   2.1 计算流体力学概述
•   2.2 使用有限体积法的控制方程
•     2.2.1 瞬态粘性不可压缩流体控制方程
•     2.2.2 固体结构控制方程
•   2.3 使用有限体积法的控制方程离散及求解
•     2.3.1 计算区域的离散
•     2.3.2 流体方程的离散及求解
•     2.3.3 结构方程的离散与求解
•   2.4 流体的动网格
•   2.5 标准k-ε湍流模型
•   2.6 流固耦合的求解方法
•     2.6.1 显式耦合
•     2.6.2 不动点迭代法
•     2.6.3 Aitken算法
•     2.6.4 向量外推法
•     2.6.5 IQN-ILS算法
•   2.7 本章小结
• 第3章 基于OpenFOAM的流固流耦合求解器开发
•   3.1 OpenFOAM软件介绍
•   3.2 流固耦合求解器fsiFoam简介
•   3.3 流固流耦合求解器开发
•     3.3.1 添加流体网格文件
•     3.3.2 流固流耦合求解器主程序
•     3.3.3 流固耦合类
•     3.3.4 添加对残差的比较与选择
•   3.4 本章小结
• 第4章 流固流耦合求解器验证
•   4.1 流固耦合（FSI）求解器标准算例验证
•     4.1.1 算例描述与参数设置
•     4.1.2 计算结果分析
•   4.2 受横向流体作用的传热管FSI与 FSFI数值模拟对比验证
•     4.2.1 圆柱绕流与涡激振动
•     4.2.2 算例描述与参数设置
•     4.2.3 结果分析
•   4.3 本章小结
• 第5章 蒸汽发生器传热管流固流模拟分析
•   5.1 秦山核电站一期蒸汽发生器传热管
•     5.1.1 蒸汽发生器主要参数
•     5.1.2 计算模型的建立与网格划分
•     5.1.3 模型计算参数输入及边界条件控制条件设置
•   5.2 速度对传热管振动特性影响
•   5.3 结构参数对传热管流致振动的影响
•     5.3.1 管壁厚度对传热管振动特性影响的数值计算
•     5.3.2 支撑板间距对传热管振动特性影响的数值计算
•   5.4 本章小结
• 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及其他科研成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 叶潇

导师: 杜润

关键词: 蒸汽发生器,流致振动,流固耦合

来源: 西南交通大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 力学,核科学技术,电力工业

单位: 西南交通大学

分类号: TM623;O353.4

DOI: 10.27414/d.cnki.gxnju.2019.002890

总页数: 92

文件大小: 5613K

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