高溫高壓核電閘閥流固熱耦合分析

    字號：T | T流固熱耦合是指在由流體、固體和溫度場組成的系統中三者之間的相互作用，流固熱耦合問題是流動、應力、溫度三場同時存在時的基本問題。流固熱耦合問題不僅僅是在流固耦合問題上附加一個體現溫度變化的條件

1 前言

流固熱耦合是指在由流體、固體和溫度場組成的系統中三者之間的相互作用，流固熱耦合問題是流動、應力、溫度三場同時存在時的基本問題。流固熱耦合問題不僅僅是在流固耦合問題上附加一個體現溫度變化的條件，而是將體現流體流動、固體變形、溫度場變化的量如流體壓力、固相質點位移、絕對溫度同時視為基本變量，基本變量處于平等地位。在流固熱耦合問題中，熱效應與流體壓力導致固體變形，固體變形與流體流動導致溫度場變化，固體變形與熱效應導致流動特性的改變，以上3種效應是同時發生的。

閘閥主要作為接通或切斷管道中的介質用，即全開或全閉使用。在核電站中，閘閥受到高溫高壓流體的作用，必然會產生變形及應力。為了防止全開時閘閥變形或應力超過許用值而造成的結構破壞，必須對其進行計算。由于閘閥工作時結構的變形很小，對流體流動狀態及溫度的變化影響也很小，故此處只考慮流體壓力及溫度對閘閥結構的影響，即單向耦合作用。

2 耦合場分析原理

2.1 流固耦合計算

流固耦合是指固體在介質載荷作用下會產生變形或運動，變形或運動又反過來影響介質，從而改變介質載荷的分布和大小。

流固耦合的有限元方程為：

（1）

各系數矩陣由全域各單元相應的系數矩陣按統一的方式疊加而成，即：



式中 M———質量矩陣
C———阻尼矩陣
K———剛度矩陣
U、P———由全域各節點所組成的列矢量
Ae———質量矩陣
Be———對流矩陣
Ce———壓力矩陣
De———損耗矩陣
Ee、Fe———體積力矩陣
Ge———連續矩陣
He———邊界速度矢量
δ、δ�殹ⅵ摹�——加速度、速度、結構應力列向量
2.2 溫度場分析原理
溫度場是指在指定區域內，各個部分的溫度分布情況，它是各個時刻物體中各點溫度分布的總稱。固體與流體本身產生導熱現象，流體與固體之間將產生對流換熱現象，其原理主要是傳熱學中的傳熱基本定律。
（1）熱傳導微分方程
在笛卡爾坐標系中，對于導熱物體中的任意點（x，y，z），三維非穩態導熱微分方程的一般形式為：


（2）
式中 ρ———密度，kg/m3
cp———比熱容，J/（kg·K）
λ———導熱系數，W/（m·K）
———單位體積發熱率
（2）熱對流微分方程
連續性微分方程：
（3）
運動微分方程：
（4）
能量微分方程：
（5）
3 閘閥三維實體模型的建立
閘閥的三維實體模型要能準確地反映結構的實際情況，同時在保證計算精度的前提下，模型應盡可能簡化。閘閥的承壓邊界主要包括閥體、閥蓋和閘板，從力學特性上分析，可以認為閥體、閥蓋和閘板作為一個整體來承受內壓。因此，在建立有限元模型時，將閥體、閥蓋和閘板作為一個整體進行建模，忽略它們之間的連接螺栓。簡化處理一些不影響閘閥總體性能的特征，忽略一些不必要的倒角，得到計算模型如圖1所示。