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(tǒng)中三者之間的相互作用，流固熱耦合問題是流動、應(yīng)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(xiàn)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(tǒng)中三者之間的相互作用，流固熱耦合問題是流動、應(yīng)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(xiàn)溫度變化的條件，而是將體現(xiàn)流體流動、固體變形、溫度場變化的量如流體壓力、固相質(zhì)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(yīng)與流體壓力導(dǎo)致固體變形，固體變形與流體流動導(dǎo)致溫度場變化，固體變形與熱效應(yīng)導(dǎo)致流動特性的改變，以上3種效應(yīng)是同時發(fā)生的。

閘閥主要作為接通或切斷管道中的介質(zhì)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(chǎn)生變形及應(yīng)力。為了防止全開時閘閥變形或應(yīng)力超過許用值而造成的結(jié)構(gòu)破壞，必須對其進行計算。由于閘閥工作時結(jié)構(gòu)的變形很小，對流體流動狀態(tài)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(jié)構(gòu)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(zhì)載荷作用下會產(chǎn)生變形或運動，變形或運動又反過來影響介質(zhì)，從而改變介質(zhì)載荷的分布和大小。

流固耦合的有限元方程為：

（1）

各系數(shù)矩陣由全域各單元相應(yīng)的系數(shù)矩陣按統(tǒng)一的方式疊加而成，即：



式中 M———質(zhì)量矩陣
C———阻尼矩陣
K———剛度矩陣
U、P———由全域各節(jié)點所組成的列矢量
Ae———質(zhì)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(xù)矩陣
He———邊界速度矢量
δ、δ��、δ———加速度、速度、結(jié)構(gòu)應(yīng)力列向量
2.2 溫度場分析原理
溫度場是指在指定區(qū)域內(nèi)，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(chǎn)生導(dǎo)熱現(xiàn)象，流體與固體之間將產(chǎn)生對流換熱現(xiàn)象，其原理主要是傳熱學(xué)中的傳熱基本定律。
（1）熱傳導(dǎo)微分方程
在笛卡爾坐標系中，對于導(dǎo)熱物體中的任意點（x，y，z），三維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)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(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）
———單位體積發(fā)熱率
（2）熱對流微分方程
連續(xù)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(jié)構(gòu)的實際情況，同時在保證計算精度的前提下，模型應(yīng)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(xué)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(nèi)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。