[发明专利]运动条件下核动力系统管壳式换热器数值模型建立方法

说明书

运动条件下核动力系统管壳式换热器数值模型建立方法，该方法适用于核动力系统的大型换热设备在受到一定外力而产生不同形式的运动工况下的三维数值计算模型的建立；该三维数值计算模型主要是在静止运行下管壳式换热器三维热工水力数值计算模型基础上，根据不同运动条件下的运动形式及受力特点，分别通过对处于复合运动条件下的管壳式换热器进行运动分解、单一运动的受力分析及分解、单一运动下作用于动量方程的附加力源项的建立、复合运动附加力源项合成过程，最终建立一套能够准确描述复合运动条件下核动力系统管壳式换热器热工水力特性的数值计算模型。

技术领域

本发明涉及到一种描述不同运动条件下核动力系统管壳式换热器的数值计算模型技术领域，具体涉及一种能够对在三维六自由度下运动条件运行的核动力系统管壳式换热器的热工水力运行特性进行计算的数值模型建立方法。

背景技术

核动力系统尤其是小型核动力系统由于其体积小、能量密度高、稳定性及可靠性高等特点越来越多地被应用到各种工况下。典型的海上浮动核动力系统站以及小型化移动核动力系统设备在其设计过程中应该充分考虑海上风浪以及运载形式对其内部核动力系统的影响，其次由于自然灾害地震、海啸或人为外力撞击条件均可能对传统核动力系统的正常运行产生不可逆的后果。为了充分保证核动力系统在特定运行工况下的安全特性，对其进行受力条件下的三维数值计算模拟十分必要。

管壳式换热器一般作为核动力系统一回路与二回路的传热边界，同时也是一回路压力边界，其运行状态关乎反应堆能量能否顺利导出，是核动力系统中最为关键的安全性设备之一。据调研，管壳式换热器在不同运动条件下所表现出的两侧压降特性及流动换热特性均会受到运动条件的影响。由于管壳式换热器一般为管束型换热设备，因此其二次侧流动换热系数必然受到运动状态如倾角、转速、加速度的影响。

在对管壳式换热器设计阶段，需要考虑到极端运动条件下其运行状态，并对其及反应堆系统安全性进行评估。因此对管壳式换热器开展不同运动条件下的数值计算模型建立对核动力系统的可靠性及安全性均具有重要意义。其次，由于近年来计算流体动力学方法在计算维度、计算精度、可视化、操作简便性等特点在核动力系统数值计算中被广泛应用，相比一维计算，能够给出运动条件下管壳式换热器内部不同位置的目前国内外有众多学者对运动条件的模型进行了一定程度的研究，一般对运动进行简化的方法主要有附加力添加及坐标系旋转方法。

国内外研究

近年来，随着我国海洋强国以及海上丝绸之路政策的推进，对海上资源的开发已经成为我国最重要的发展战略之一。核能作为清洁、高效、能量密度高的能源之一，能够充分保证海上工业平台的能源需求，是我国解决海洋能源供应问题的最佳途径。基于这种高需求，近年来小型化反应堆系统被广泛研究，其中应用于海洋平台的反应堆系统在设计初期不得不考虑复杂海洋条件对反应堆系统产生的影响。

海洋中的海浪会导致反应堆系统产生一系列自由运动，严重影响反应堆系统热工参数状态。在任何一个没有外力约束物体的条件下，该物体在空间内均具有6个方向的自由度，这6个自由度分别是绕三个坐标轴开展平移以及旋转运动，如图给出了典型6自由度运动示意图。核动力系统由于自身或承载其基座受到一定外力而产生运动，一般情况下该运动均为多种单一运动的叠加结果。

一般海洋条件下的单一运动类型分别包括绕定轴以一定周期摇摆、沿某方向倾斜任一角度、沿任意直线进行加速或平移运动。实际海洋运动条件下物体所产生的运动均可看作以上三种运动以一定组合进行叠加作用的结果。近年来，国内外学者对一定运动条件下对反应堆各关键设备运行参数的影响进行了大量研究。

哈尔滨工程大学在海洋运动条件数值计算研究方面具有较深的基础。王冰基于RELAP5系统程序采用海洋条件下附加力模型开发了非惯性系下的适用于海洋条件下的核反应堆热工水力计算程序，并采用该程序对一体化反应堆IP200的自然循环特性进行了影响。研究结果表明倾斜运动会导致反应堆环路流量减小、流量分配发生偏移，摇摆周期、摇摆幅度均能够改变驱动压头或附加力压降进而影响自然循环的流量波动，在较大起伏幅度下，堆芯自然循环的稳定性会受到破坏。