反应堆冷却剂泵叶轮内液固相互作用研究

摘要

反应堆主泵(RCP)是核电站(NPP)中最重要的组件之一。RCP位于核岛的中心位置，属于核安全一级设备。它是驱动冷却剂循环来冷却堆芯并将热量从堆芯传导到蒸汽发生器的设备。反应堆的正常运行和NPP冷却剂泵的安全是非常重要的。RCP在高速，高压，高温以及放射性环境下运行。在设计主泵时，必须研究适当的模型和运行条件，因为RCP叶轮的叶片处于重载下，可能会导致泵失效（由于叶轮变形）。在RCP内部，流场显示冷却剂趋向于撞击叶轮，并在叶片表面产生小的裂缝。计算RCP内的水力应力是一个重要的问题。因此，在运行条件下使用先进的数值模拟方法对泵的结构进行了模拟，以确保泵在正常工作条件下完美地运行。华龙1号NNP（福建省福清市）叶轮用于研究冷却剂对RCP叶轮的影响。用于模拟冷却剂对泵叶轮的影响的工具是SolidWorks和Ansys CFX。
　　本文设计了反应堆冷却剂泵叶轮的三维有限元模型。运用计算流体动力学以了解通过叶轮的流体流动和由流体施加的液压。然后将这些压力施加在叶轮上以查看叶轮的应力应变和变形。本文所做的工作可以总结如下。
　　1.总结了世界各国对反应堆主泵的研究现状。根据RCP(M310)叶轮的运行参数设计。
　　2.利用SOLIDWORKS软件建立叶轮三维模型，并将该模型应用于ANSYS中进行CFX网格划分和CFD仿真。从CFX模拟中，创建了叶轮周围的流场，并分析了流体施加在固体上的压力。还讨论了计算流体动力学的简要理论，控制方程和湍流模型。
　　3.简要讨论了有限元方法，并将CFX计算得到的压力值导入叶轮上。
　　4.结果表明:叶轮叶片边缘发生最大变形。叶片和轮毂的连接处出现最大应力和应变。通过增加叶片根部厚度变形可以确定容易开裂的叶轮区域，可以减小应力和应变。

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摘要

Abstract

Table of Contents

Chapter 1．Introduction

1．1 Research Background and Significance

1．2 Literature Review

1．3 Research Methodology

1．3．1 Fluid Structure Interaction(FSI)

1．4 Work Outline

1．5 Organization of the Thesis

Chapter 2．Reactor Coolant Pump

2．1 Pump

2．2 Centrifugal Pump

2．2．1 Energy Transfer

2．3 Pumps in Nuclear Power Plant

2．3．1 Primary System Pump

2．3．2 Secondary System Pump

2．4 Reactor Coolant Pump of Hualong

Chapter 3．Computational Fluid Dynamics：Background and Methodology

3．1 Computational Fluid Dynamics

3．2 Advantages of CFD

3．3 Concept of CFD

3．4 Performing a CFD Analysis

3．4．2 Processing

3．5 Problem-Solving with CFD

3．6 CFD Governing Equations

3．6．1 Conservation Equations

3．6．2 Equation of State

3．6．3 Newton’s Law of Viscosity(empirical relation for viscosity μ)

3．6．5 General Transport Equation

3．6．6 (RANS)Equations

3．7 Turbulence Modelling

3．8 Finite Volume Method

3．9 Differencing Schemes

3．9．1 Central Differencing Scheme

3．9．2 Upwind Differencing Scheme

Chapter 4．Computational Fluid Dynamics：Modeling，Simulation and Results

4．1 Working with ANSYS CFX

4．2 Impeller Model Building

4．2．1 Impeller Design

4．2．2 Impeller Model

4．3 Meshing

4．3．1 Quality of Meshing

4．4 CFX-Pre Run Defining

4．4．1 Fluid Domain Setup

4．4．2 Solid Domain Setup

4．5 Results

Chapter 5．Finite Element Analysis：Theory and Results

5．1 Finite Element Analysis

5．2 Steps for FEM

5．3 Stress Singularity

5．4 FEM Analysis

5．4．1 Building the model

5．4．2 Material properties

5．4．3 Boundary conditions and loads

5．5 Analysis Settings

5．6 Results

5．6．1 Effect of Fillet on Blade Root

Chapter 6．Conclusion and Further Work

6．1 Future work

References

Acknowledgements

Publications