核动力蒸汽发生器流－热－固耦合机理及其三维数值模拟

蒸汽发生器传热管是压水堆一回路压力边界最薄弱的环节，其实际寿命远未达到30～40年的设计寿命，改进和研究蒸汽发生器技术是完善压水堆核电厂技术的重要环节。.本课题引入考虑汽液两相间热量、质量与动量传递的particle模型与热力学相变模型，建立蒸汽发生器二次侧汽液两相流动与传热数学模型，通过蒸汽发生器一、二回路间的耦合计算，揭示不同操作条件及结构参数下局部表面传热系数、传热管内外壁温、一二次侧压力等关键参数分布规律，得出与流致振动密切相关的U型弯管段流体能量。同时，通过热与力向结构的传递及结构变形到流热分析模型的传递，进行蒸汽发生器三维流－热－固耦合数值模拟，揭示其流－热－固耦合与传递机理，得出压力应力、热负荷应力及残余应力共同作用下传热管应力、应变的分布规律及对晶间腐蚀与晶间应力腐蚀的影响，最终提出一套蒸汽发生器流－热－固耦合数值模拟方法，为改进和研制蒸汽发生器提供技术支持。

在对实际蒸汽发生器进行适当简化的基础上，建立了蒸汽发生器“单元管”三维物理模型。引入particle模型描述汽液两相间界面传递，热相变模型描述汽液两相流动沸腾，MUSIG模型预测汽泡迁徙规律，建立了描述蒸汽发生器二次侧复杂汽液两相流动与传热的两流体模型。通过一、二次侧耦合流动与传热计算，开展了蒸汽发生器热工水力稳态特性数值模拟，揭示了不同操作条件及结构参数下含汽率、表面传热系数、传热管内外壁温、一、二次侧压力等关键参数分布规律，得出了与流致振动密切相关的流体横掠U型弯管的流动能量，以及支撑板对蒸汽发生器热工水力特性的影响规律。基于FSI技术，探索了热与力向结构的传递，以及结构变形到流热分析模型的传递方式，建立了结构应力计算模型。基于流-热-固耦合数值模拟，开展了蒸汽发生器稳态热分析及结构静力分析，揭示了在热载荷及流体静压载荷作用下，传热管及支撑板的热应力、机械应力、耦合应力及接触应力的分布规律，以及支撑板缝隙对蒸汽发生器热工水力特性及传热管应力、应变的影响规律，预测了传热管降质失效及应力腐蚀发生的可能位置及原因。通过该项目提出了一套适用于蒸汽发生器等大型换热设备的流-热-固耦合数值模拟方法。在该项目的资助下发表学术论文20篇，其中SCI收录4篇，EI收录12篇，所发论文被引30余次，他引20次。申请发明专利5项。培养博士后出站1人，博士研究生2人、硕士研究生8人。蒸汽发生器流-热-固耦合机理研究对完善压水堆蒸汽发生器技术有重要的应用价值，为蒸汽发生器的安全经济运行及结构优化设计提供一定的理论支撑，对推动核动力装置的研究具有重要意义。