[发明专利]多物理场耦合构建屏蔽式核主泵数字样机方法

说明书

多物理场耦合构建屏蔽式核主泵数字样机方法，属于核反应堆冷却剂泵设计制造。构建步骤：一、依据核主泵零部件关联的流场、温度场、电磁场，考虑零部件几何和材料性质，确定各物理场计算域及边界条件，建立各物理场数学模型，通过有限元离散获得多物理场的实体模型，生成多物理场结构建模模块；二、基于核主泵非能动物理过程，采用分部迭代法对多物理场进行耦合计算，生成多物理场耦合计算模块，在实体模型上构建核主泵三维数字样机；三、通过核主泵性能分析模块接收三维数字样机，调用核主泵运行参数下多物理场耦合计算数据作为输入，输出核主泵水力特性、能耗特性、传热特性、运行载荷数据库的仿真结果。优点：核主泵工作特性及性能分析准确。

技术领域

本发明涉及一种多物理场耦合构建屏蔽式核主泵数字样机方法，属于核反应堆冷却剂泵设计和制造领域。

背景技术

核主泵是驱动核岛内高温高压高放射性工作介质循环，将反应堆芯核裂变的热能传递给蒸汽发生器产生蒸汽，推动汽轮机发电的装备，也是核岛内唯一的连续高速旋转的装备。核主泵作为一回路承压边界的组成部分，要求在各种复杂工况下高效稳定运行，不发生非计划停堆，工作介质严格无外泄漏。在地震、火灾等瞬变灾变极端工况下，依靠自身惯性维持运转，提供足够流量的工作介质带走反应堆芯余热。核主泵内流动极其复杂，在较宽的压力和温度范围内，大流量瞬变工况下，必须保证泵内流场不出现汽蚀、大范围回流和分离现象，以适应在启停、断电、回路失水、地震等全工况的安全运行需求。

屏蔽式核主泵由泵壳、泵轴、叶轮、飞轮、导轴承、定转子屏蔽套、推力轴承等主要零部件组成。核主泵的核心组件转子既承受叶轮等水力部件变化的流体压力，又受到推力轴承、惰转飞轮、屏蔽套等间隙流动的非线性瞬态激励，具有高度非稳态和非线性响应特征。在运行过程中，由于屏蔽式核主泵结构、损耗分布、散热条件及工作环境的特殊性，核主泵零部件受到流场、温度场、电磁场等多物理场强耦合作用，核主泵泵壳组件和泵轴转子系统的传热特性、能耗特性及水力特性响应存在着复杂的多场耦合非线性问题。2009年李颖等报道了“核反应堆冷却剂循环泵全流道三维数值模拟及性能预估”论文，通过计算流体动力学数值模拟软件FLUENT，应用RNG k-ε湍流模型及SIMPLE算法对核主泵进行全流道三维数值模拟，获得了在不同工况下叶轮内部流动情况，分析了压力场和速度场分布规律，并开展了不同稳态工况下流场计算，得到不同稳态工况下水力部件压力分布及其对应的效率和扬程。2012年丁树业等报道了“核主泵屏蔽电机温度场研究”论文，针对屏蔽式核主泵内发热与冷却的复杂性及其高温高压工作特点，依据流体力学及传热学理论，建立了三维流场与温度场耦合的求解域物理模型，采用有限体积法对额定工况下电机内各部分温升进行了分析，电机定子股线、转子导条及冷却介质的温度分布规律可确定电机内的最高温升区域，为屏蔽式核主泵的冷却结构设计以及温度场计算提供理论依据。2014年王雨诗等报道了“核反应堆冷却泵屏蔽式感应电机屏蔽套涡流损耗分析与计算”论文，选取屏蔽式核主泵的感应电机为求解域，从电磁场涡流理论出发，结合有限元法推导出屏蔽套涡流损耗表达式，建立了二维涡流场数学模型，屏蔽套涡流损耗计算证明了定子屏蔽套涡流损耗是整个电机电磁损耗的主要部分。