核电行业多场耦合解决方案简介

1、核电多场耦合解决方案简介汇报内容多物理场耦合需求分析基于MpCCI的解决方案应用案例简介总结多物理场耦合分析的必要性在核电相关研究课题中，涉及流-固耦合、流-固-热耦合及一维和三维耦合等问题，如非能动安全壳冷却、IVR的流-固-热耦合，储水箱回路与排水管路一维三维耦合，堆内构件、管路的流致振动等。针对这些问题，如独立采用流体、结构、系统软件进行仿真，不能完整地描述实际的物理现象，没有准确的边界条件，难以获取准确的结果。多物理场耦合分析的必要性如安全壳内的热蒸汽接触到内壳时发生冷凝将热量传递给壳体；当冷却水喷淋到外壳上时发生汽化吸收从壳体传来的热量，最终随着空气自然对流将热量带出安全壳。仅使用流

2、体或结构软件，不能准确的计算出从内壳传递到外壳的热量，则安全壳冷却系统的冷却效果也不能准确预测。这些情况也发生在热分层、蒸汽阀门、堆内构件、IVR等流-固-热耦问题上。汇报内容多物理场耦合需求分析基于MpCCI的解决方案应用案例简介总结多场耦合方法简介强耦合通过单元矩阵或荷载向量把耦合作用构造到控制方程中，然后对控制方程直接求解其主要缺点就是在构造控制方程过程中常常不得不对问题进行某些简化，计算准确程度较难保证比较适用于对耦合场的理论分析弱耦合在每一步内分别对各场方程一次求解，通过把第一个物理场的结果作为外荷载加于第二个物理场来实现两个场的耦合其优点是可以重新利用现有的通用软件，并且可以分别对

3、每一个软件单独地制定合适的求解方法，缺点是计算过程比较复杂弱耦合比较适用于对耦合场的数值计算基于MpCCI的多场耦合分析方案概况MpCCI （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）德国也是欧洲最大的应用科学研究机构。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。MpCCI支持的主要CAE软件软件架构工作原理在流固耦合计算过程中，各个仿真软件相对独立地执行各自的计算任务，只是在

4、规定的计算时间步或迭代步进行数据交换。独立求解在两种网格之间进行邻域搜索并使不同网格之间的节点建立配对关系。数据的传递在配对的节点之间进行。节点联合MpCCI自动完成耦合面上数据的插值和传递。插值对节点联合后的孤立节点，MpCCI将自动赋予缺省值。孤立节点软件用途使用多物理场耦合软件MpCCI，不仅可以准确计算流体和结构之间的传热，还可以耦合计算一维系统和三维流场，使用准确边界条件即耦合区域，可以有效解决以下问题。非能动安全壳冷却系统堆内构件的流致振动蒸汽发生器的流致振动和疲劳分析管道的流致振动及疲劳问题IVR问题及其它另MpCCI支持时间异步和并行计算，能大大缩短仿真时间，快速得到这些系统和

5、部件的性能结果，为系统和部件设计提供理论参考。特点与优势能够实现流体、固体、热、电磁、控制等多物理环境耦合分析；针对特定问题可选择适用的求解器，可求解涉及复杂物理现象的多场耦合问题，如流动、汽化、冷凝、熔化、凝固、蠕变等现象；支持多学科、多模型、多维度的耦合仿真；能够实现时间异步的多物理场耦合分析专利技术；开放而强大的API开发功能，可便捷地实现自研代码与商用CAE软件的数据交互能够实现在各种计算平台、各种网络环境下高效率的计算，支持多用户同时使用，支持多CPU的并行计算。汇报内容多物理场耦合需求分析基于MpCCI的解决方案应用案例简介总结非能动安全壳冷却系统物理现象及分析方法安全壳冷却系统耦

6、合分析方案解决方案： 外部水膜冷却+MpCCI+内部自然循环+安全壳传热安全壳冷却问题CAE解决方案MpCCI数据交换安全壳外部流场模拟（Fluent）安全壳传热模拟（Abaqus）安全壳内部流场模拟（Fluent）非能动安全壳冷却系统数值分析验证性研究以MpCCI实现内外复杂热流场（含蒸发、冷凝）、结构传热的耦合分析冷态工况下，安全壳外表面附近水流分布情况模拟：采用Fluent的VOF模型与UDM功能（近似处理微米级水膜）；选取不同的安全壳结构参数，例如不同的直径、不同的围堰位置，计算安全壳球形表面的水膜分布情况；主要考虑水膜的均匀性与膜厚分布。热态工况下，安全壳外表面附近水流分布情况模拟：

7、除了使用通用多相流模型和基本的传热模型外，采用Fluent的UDF功能实现特定模型或应用试验数据和/或经验关系的使用，考虑饱和沸腾与过冷沸腾的影响。非能动安全壳冷却系统数值分析验证性研究冷却系统瞬态耦合仿真演示案例PCS系统PCS系统储水箱回路示意图PCCWST水流管内自然重力流动过程模拟基于MpCCI的Flowmaster-Fluent的联合仿真及结果波动管热分层一维三维耦合分析波动管热分层一维三维耦合分析IVR问题IVR-ERVC属于液-固-汽的耦合传热问题。液-固凝固相变固-液熔化相变液-汽沸腾相变汽-液两相流动瞬态问题物理现象非常复杂沸腾无现成模型可用，需二次开发IVR问题分析方案RP

8、V外部补水冷却水沸腾液体沸腾相变与两相流RPV内部冷却UO2凝固液体凝固相变RPV钢壁内侧Fe熔化固体熔化相变RPV钢壁Fe高温蠕变结构力学耦合传热：传导+对流+辐射IVR问题CAE解决方案MpCCI数据交换RPV外部流场模拟（Fluent）RPV传热模拟（Abaqus）RPV内部流场模拟（Fluent）IVR问题的数值仿真验证性研究IVR问题瞬态耦合仿真演示案例管道及其它设备的流致振动与疲劳问题管道和设备的布置应使诸如流致振动、老化影响、声激励、热疲劳和放射性物质累积最小化。在评价管道破损后果时应考虑： 反应堆冷却剂热工水力参数的影响 化学参数如反应堆冷却剂硼浓度的影响 由于流体喷放导致的施

9、加于反应堆冷却剂系统的曳力和载荷 反应堆冷却剂系统的压力波（水锤） 波动管热分层热分层1D-3D CFD-结构三场耦合分析采用多场耦合分析的方法，可以对管内流动与结构应力、应变、热分层等进行耦合分析某阀门的流固耦合模拟波动管内温度分布不均蒸汽发生器与管道的流致振动和疲劳分析蒸汽发生器的流场和结构分析基于MpCCI的主蒸汽阀热应力和疲劳分析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

10、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。JAEA堆内构件的流致振动设备中的涡激振动JAEA电站级的地震响应分析汇报内容多物理场耦合需求分析基于MpCCI的解决方案应用案例简介总结总结MpCCI具有强大的多学科、多模型、多维度的耦合功能，并具备强大的API开发接口，在国内外核电行业已经得到广泛应用，积累了大量工程实践经验。软件应用价值：准确预测非能动安全壳冷却系统运行规律，识别潜在问题，