反应堆堆芯围筒结构热流固耦合热变形分析|反应堆堆芯

　　摘要： 针对反应堆堆芯围筒热流固耦合问题，采用三维有限元法研究堆芯围筒的热变形.考察ANSYS的三维实体热单元SOLID 70，三维实体单元SOLID 45，三维表面热效应单元SURF 152和三维热流耦合管单元FLUID 116等单元类型的特点和实用性.建立堆芯围筒、吊篮和冷却剂的温度分析有限元模型：堆芯围筒和吊篮采用SOLID 70，结构表面与冷却剂的对流传热表面采用SURF 152，堆芯围筒与吊篮之间冷却剂采用FLUID 116.采用SOLID 45建立堆芯围筒有限元模型，根据得到的堆芯围筒、吊篮和冷却剂的温度场结果分析堆芯围筒热变形.结果表明，在考虑堆芯围筒及吊篮固体和流体的交叉耦合的基础上，采用三维有限元法能比较客观地模拟反应堆堆芯处的复杂运行环境.
　　关键词： 反应堆； 堆芯围筒； 热变形分析； 热流固耦合； 冷却剂； ANSYS
　　中图分类号： TL351.1 文献标志码： B
　　Thermal deformation analysis on thermalfluidstructure
　　coupling of reactor core shroud
　　ZHAO Feiyun, ZHU Kun, LI Yuan, YU Hao, WENG Yu, ZHANG Ming
　　(Shanghai Nuclear Engineering Research & Design Institute, Shanghai 200233, China)
　　Abstract： As to the thermalfluidstructure coupling issue of reactor core shroud, the thermal deformation of core shroud is researched by 3D finite element method. The characteristics and practicability are researched for ANSYS element types including 3D solid thermal element SOLID 70，3D solid element SOLID 45，3D surface thermal effect element SURF 152 and 3D thermalfluid coupling pipe element FLUID 116. The finite element models of thermal analysis are built for reactor core shroud, barrel and coolant. For the models, the core shroud and barrel are modeled by SOLID 70; the structure surface and convective heat transfer surface of coolant are modeled by SURF 152; the coolant between core shroud and barrel is modeled by FLUID 116. The finite element model of thermal deformation analysis is built for core shroud by SOLID 45, and the thermal deformation of core shroud is analyzed according to the temperature field results of core shroud, barrel and coolant. The results indicate that, considering the thermalfluidstructure coupling among core shroud, barrel and coolant, the complex running environment of reactor core shroud can be simulated objectively by 3D finite element method.
　　Key words： reactor; core shroud; thermal deformation analysis; thermalfluidstructure coupling; coolant; ANSYS
　　0 引 言
　　CAE逐渐成为工程应用的主要工具［1］,在我国核电厂主设备的结构和热工水力分析中，CAE分析技术已成为关键工具之一［2］.反应堆堆内构件由堆芯围筒、吊篮、堆芯支撑板等部件组成，是核电厂主设备中的关键核岛设备.作为堆内构件的重要部分之一，围筒构成堆芯的径向边界，控制流经堆芯的冷却剂方向和流量，起到从圆形吊篮向方形燃料组件构件的堆芯边界的过渡作用.［34］
　　对于反应堆堆芯的围筒结构热流固耦合问题，通常采用简化的一维导热模型计算需要考察的局部温度和热变形等.［5］姜乃斌等［6］采用三维有限元法计算堆内构件等主设备，实现在现有计算机硬件条件下的整体大规模三维有限元分析，但未对堆芯围筒及吊篮结构进行具体的热变形计算分析.
　　本文以反应堆堆芯围筒结构为主要研究对象，针对堆芯围筒及吊篮结构的流固耦合问题［7］，建立有限元分析模型，分析研究堆芯围筒的热变形，考察ANSYS中SOLID 70（三维实体热单元）、SOLID 45（三维实体单元）、SURF 152（三维表面热效应单元）以及FLUID 116（三维耦合热流体管单元）等有限元单元类型特点和实用性，并计算堆芯围筒最大热变形结果和分布情况.