CN110472332A - 基于流固耦合分析的核级管道疲劳损伤的评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于流固耦合分析的核级管道疲劳损伤的评价方法，以双流动边界为例，包括如下步骤：根据分析部位的流量变化范围，构建流量网，在每个流量组合节点上构建温度阶跃下的归一化温度响应格林函数与应力响应格林函数；根据t时刻的流动边界的流量，插值计算温度格林函数与应力格林函数；根据格林函数法对时刻t流动边界上的温度阶跃载荷进行温度与应力响应的快速计算，根据计算得到的结果评价核级管道的疲劳损伤。本发明格林函数直接根据流固耦合计算获取，避免了热区划分与对流传热系数计算，最大程度上接近实际流动与传热状况，拉格朗日插值计算充分考虑了传热非线性特征，使得格林函数的快速计算更为准确可靠且高效。
Description
技术领域
本发明具体涉及一种基于流固耦合分析的核级管道热应力格林函数快速计算的结果进行核级管道疲劳损伤的评价方法。
背景技术
核级管道在线疲劳监测需要采用格林函数法对其热瞬态应力进行快速计算，然而热瞬态过程除了流体温度的瞬变还存在流动边界条件的瞬变，流动边界条件的瞬变意味着流速的变化，进而导致对流传热系数的变化。由于核级管道结构的复杂性，疲劳分析部位的流场变化规律复杂，很难准确地划分具有定常对流传热系数的热区。以往只能把分析部位相关的区域近似地划分为几个定常对流传热系数的热区，对不同热区进行瞬态热应力分析建立应力格林函数。热瞬态应力计算时根据流动边界条件保守地确定一个与格林函数库相对应的对流传热系数进行卷积计算，计算结果过于保守，无法保证核电站许可证延续论证中的裕度。
发明内容
有鉴于此，为了克服现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种准确可靠且高效的基于流固耦合分析的核级管道疲劳损伤的评价方法。
为了达到上述目的，本发明采用以下的技术方案：
本发明采用的技术方案为一种基于流动边界条件流固耦合分析的核级管道热应力格林函数快速计算法，以双流动边界为例，其步骤为：
步骤1)：根据分析部位的流量变化范围(Q1min-Q1max、Q2min-Q2max)，构建n×n(如n＝5)流量网，在每个流量组合节点上构建温度阶跃下的归一化温度响应格林函数与应力响应格林函数。格林函数包括稳态项与瞬态项，稳态项是瞬态响应稳定后的值，不随时间变化；瞬态项是扣除了稳态项之后的响应值，是随时间变化的。温度格林函数稳态项和瞬态项记为和应力格林函数稳态项和瞬态项记为和
步骤2)：根据t时刻的流动边界的流量Q1、Q2，插值计算温度格林函数与应力格林函数，考虑到流量与对流传热系数之间的高度非线性关系，采用拉格朗日插值法计算插值格林函数。
归一化温度响应格林函数与应力响应格林函数的计算包括首先进行基于平均温度的稳态流固耦合计算，然后进行基于平均温度阶跃的瞬态温度场计算，并将得到的瞬态计算的温度场作为温度载荷进行瞬态热应力的计算。在一些实施例中，设定主管道和上充管的外壁、管道端部横截面为绝热边界，在上充管管嘴和上充管连接焊缝处沿壁厚方向建立线性化评定路径，提取整理不同时刻评定路径上线性化应力，包括薄膜应力、薄膜加弯曲应力和总应力的六个应力分量随时间的变化值，进行归一化的格林函数瞬态项的计算。
在一些实施例中，该步骤中的具体计算过程如下：
首先在每一流量Q2j下，对Q1流量进行插值计算，得到Q1Q2j流量组合下所需格林函数数据。
其中，
然后根据Q1Q2j流量组合下的格林函数数据对Q2流量进行插值计算，得到Q1Q2流量组合下所需格林函数数据。
其中，
步骤3)：根据格林函数法对时刻t流动边界上的温度阶跃载荷进行温度与应力响应的快速计算。以双流动边界为例，做如下计算：
以上公式中：相关符号说明如下：Q-流量；G-格林函数；L-拉格朗日插值函数；n-流量范围内计算点的个数；T-温度；S-应力；τ-时间积分变量；Δ为参量的变化值；
符号上标或下标说明如下：0-稳态值；1-流动边界1；2-流动边界2；min-最小值；max-最大值；m-平均值；T-温度(Tref-参考温度)；S-应力；d-衰减范围。
与现有技术相比，本发明的有益之处在于：本发明的基于流固耦合分析的核级管道疲劳损伤的评价方法，该方法建立格林函数库时直接根据流动边界条件进行流固耦合计算，无需划分热区，分别对不同流量进行计算，得到一组应力格林函数，需要时调用根据流量条件进行拉格朗日插值计算得到格林函数并进行卷积计算即可，避免了热区划分与对流传热系数计算，最大程度上接近实际流动与传热状况，拉格朗日插值计算充分考虑了传热非线性特征，使得格林函数的快速计算更为准确可靠且高效，格林函数库简单，使用方便，可满足工程计算要求，根据核级管道热应力的计算结果对核级管道疲劳损伤进行评价。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中基于流固耦合分析的核级管道热应力格林函数的快速计算方法中的分析流程图；
图2本发明实施例中上充管的立体图；
图3本发明实施例中分析案例网格划分示意图；
图4本发明实施例中应力分析边界条件示意图；
图5本发明实施例中上充管X＝0截面和Z＝0截面的温度分布云图；
图6本发明实施例中上充管X＝0截面和Z＝0截面的速度分布云图；
图7本发明实施例中上充管X＝0截面和Z＝0截面的等效应力分布云图；
图8本发明实施例中应力线性化位置的示意图；
图9本发明实施例中验证工况下上充管和主管温度瞬态变化图；
图10本发明实施例中考察点温度对比图；
图11本发明实施例中各正应力分量(薄膜应力)图；
图12本发明实施例中各切应力分量(薄膜应力)图；
图13本发明实施例中各正应力分量(薄膜应力+弯曲应力)图；
图14本发明实施例中各切应力分量(薄膜应力+弯曲应力)图；
图15本发明实施例中各正应力分量(总应力)图；
图16本发明实施例中各切应力分量(总应力)图；
附图中，主管道-1，管嘴-2，安全端和热管道-3，上冲嘴-4。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
在压水堆核电厂运行过程当中，当一回路水容积由于热胀冷缩减少或产生破口泄漏时，稳压器调节能力不足，就需要向一回路补水，与一回路硼浓度一样的硼水由上充泵经上充管线补充给一回路，将稳压器水位维持在程控液位范围内。由于RCV系统(化学和容积控制系统)温度低于主管道温度，上充管线内冷的流体快速进入主管道，与主管道连接的上充管嘴部位受“热冲击”作用，存在热疲劳失效的风险，因此需要进行疲劳寿命检测。
以下实施例首先对某一个流量下基于流固耦合计算格林函数的建立方法进行说明，然后再对格林函数法温度与应力快速计算给出说明。
实施例1某一主回路流量与上充流量下基于流固耦合分析计算的格林函数建立
1.1分析流程的建立
首先进行基于平均温度的稳态流固耦合计算，然后进行基于平均温度阶跃的瞬态温度场计算。结构稳态多物理场流固耦合分析和瞬态多物理场流固耦合分析在同一个ANSYS Workbench项目中完成，并且稳态和瞬态分析中采用同样的网格。使用Fluent稳态流场和温度场为Fluent瞬态计算初始化，Fluent稳态计算的温度场作为热载荷导入稳态结构分析(Static Structural)中进行稳态热应力的计算，Fluent瞬态计算的温度场作为温度载荷导入瞬态结构分析(Transient Structural)中进行瞬态热应力的计算。ANSYSWorkbench中建立的分析流程图，如图1所示。
1.2模型建立与网格划分
本实施例中，设定一回路冷段管内径为Φ698.5mm，壁厚为64mm，长度为5746.7mm，水平放置。上冲管外径为Φ88.9mm，SCH160(内径为Φ66.7mm)，与水平面呈30°，长度为600mm，通过安全端、管嘴和主管道冷段连接。SolidWorks建立含有主管道冷段1、管嘴2、安全端3、弯头和上充管4的几何模型，如图2所示。
使用ANSYS ICEM软件进行流体域和固体域的网格划分，其中流体域网格和固体域网格导入Fluent进行流场、温度场模拟计算，固体域网格导入Workbench中进行静态结构和瞬态结构分析。流体域和固体域都使用较高网格质量的六面体结构网格，网格数目为42万，满足网格无关性要求。网格划分如图3所示。
1.3物性参数
本实施例中水的物性参考温度取270℃，密度为767.8kg/m3，比热容为5126J/(kg·℃)，导热系数为0.59W/(m·K)，动力粘度为9.94X10-5kg/(m·s)。
上充管和主管材料采用Z2 CN 18-10的奥氏体不锈钢。金属材料属性取自RCC-M规范，材料属性参考温度取功率运行工况下平均温度270℃，密度为7930kg/m3，导热系数为18.24W/(m·K)，线膨胀系数为1.857X10-5/℃，弹性模量为178600MPa，比热容为539.4292J/(kg·℃)。材料属性见表1。
表1材料物性参数表
1.4载荷和边界条件的确定
(1)流动传热计算边界条件
主管道和上充管的外壁、管道端部横截面设为绝热边界。上充管进口设为速度进口边界，流量为0.024m3/h，流速为1.908189m/s，温度取功率运行工况下平均温度261.9505℃(535.1005K)；主管道进口也设为速度入口边界条件，流量为23.79m3/h，速度为17.24524m/s，取功率运行工况下平均温度292.725℃(565.875K)。流体域和固体域的交界面设为耦合壁面边界条件。
(2)结构计算载荷边界条件
约束主管道一端面的轴向和环向位移。如图4所示，以主管道出口界面中心为圆心建立柱坐标系，其中Z轴沿主管道的轴线方向，约束该坐标系下Y向和Z向，X向自由。
导入Fluent稳态计算的固体结构温度场作为热载荷计算热应力。
1.5数值计算模型建立
(1)流场分析(Fluent)
使用Pressure-Based求解器；考虑重力影响，设定重力矢量方向(0，-4.905，-8.49571)。
打开能量方程，求解温度场：湍流模型选择Standard k-epsilon(2-eqn)方程，使用Standard Wall Function近壁面处理方式。
energy残差控制在10-6以下，其它残差项控制在10-4以下，可以认为稳态计算已经达到了稳定收敛状态。
(2)结构分析(Mechanical)
计算热应力时环境参考温度(即结构零热应力)设为20℃。
1.6计算结果分析
通过Workbench中Fluent和Mechanical的流固热耦合模拟计算，得到上述初始稳态工况下，上充管x＝0截面和z＝0截面的流场流速分布云图、温度分布云图和应力分布云图，分别如图5、图6、图7所示。
取温度梯度较大位置——上充管管嘴与安全端连接位置的外壁作为温度考察位置。
取上充管和安全端的焊缝区域作为疲劳应力评价位置。在上充管管嘴和上充管连接焊缝处沿壁厚方向建立线性化评定路径，如图8所示的路径1-2。线性化结果参考坐标系选取自定义的柱坐标系，其中原点位于主管道和管嘴轴线的交点位置，Z方向沿上充管嘴的轴线方向，X为径向，Y为环向。
1.7阶跃载荷瞬态工况及格林函数的建立
基于主管T1m＝292.725℃，上充管T2m＝261.9505℃的稳态温度场分析，进行主管温度T1m+30℃和上充管温度T2m+30℃两种工况构建格林函数。两种工况分别为：
A：T1m＝292.725℃，T2m＝261.9505℃，0时刻T1升高30℃(△T1＝30℃)
B：T1m＝292.725℃，T2m＝261.9505℃，0时刻T2升高30℃(△T2＝30℃)
对于工况A，提取整理不同时刻评定路径上线性化应力，包括薄膜应力、薄膜加弯曲应力和总应力的六个应力分量随时间的变化值G(T1m+30,ΔT2m)。整理初始稳态数据作为G0(T1m,T2m)，第4000s(td)的数据作为G0(T1m+30,T2m)，[G0(T1m+30,T2m)-G0(T1m,T2m)]/30的数据作为归一化的格林函数瞬态项[G(T1m+30,T2m)-G0(T1m+30,T2m)]/30的数据作为归一化的格林函数的瞬态项同理，对B工况进行分析计算，整理得到与这样就得到了格林函数数据，其中和用于格林函数卷积分计算公式中瞬态项的计算，和用于格林函数卷积分计算公式中稳态项的计算。
同理可得到温度格林函数的稳态项与瞬态项
实施例2流量网设定与节点格林函数的计算
主管道流量与上充流量分别设置5个流量以涵盖各自的流量范围，按上述方法建立各流量节点的应力格林函数。
实施例3格林函数的插值计算与瞬态热应力的计算
按下式(1)-(18)进行温度格林函数与应力格林函数的插值计算，按下式(19)-(20)进行瞬态温度与瞬态热应力的计算。具体如下：
首先在每一流量Q2j下，对Q1流量进行插值计算，得到Q1Q2j流量组合下所需格林函数数据。
其中，
然后根据Q1Q2j流量组合下的格林函数数据对Q2流量进行插值计算，得到Q1Q2流量组合下所需格林函数数据。
其中，
根据格林函数法对时刻t流动边界上的温度阶跃载荷进行温度与应力响应的快速计算。以双流动边界为例，做如下计算：
以上公式中：相关符号说明如下：Q-流量；G-格林函数；L-拉格朗日插值函数；n-流量范围内计算点的个数；T-温度；S-应力；τ-时间积分变量；Δ为参量的变化值；
符号上标或下标说明如下：0-稳态值；1-流动边界1；2-流动边界2；min-最小值；max-最大值；m-平均值；T-温度；Tref-参考温度；S-应力；d-衰减范围。
实施例4计算方法的验证
4.1验证工况
主管道温度T1和上充管温度T2发生如图9所示的瞬态变化，取上充管和主管道流量为0.024m3/h与23.79m3/h，主管温度T1和上充管进口温度T2在功率运行下的最大和最小温度间波动作为验证工况。将上述建立的格林函数通过卷积分计算和直接使用有限元方法计算的结果进行对比，其中对比结果包括所选温度考察点的温度以及评定路径上的线性化处理后的应力。
4.2格林函数和有限元结果对比
(1)考察点温度对比
分别使用格林函数法及有限元法直接计算得到评定路径外壁点处的温度，两者对比结果如图10所示。两种方法得到的温度曲线在整体上比较吻合，但是在峰值位置存在一定的差异，总体上讲格林函数方法能够准确地预测上充管外壁温度。
(2)应力处理线上主应力和切应力的对比
使用格林函数法与有限元法计算路径SCL1上线性化应力，对比结果所示。其中包含线性化评定路线上薄膜应力(M)、外壁薄膜加弯曲应力(M+B)、外壁总应力(T)的包含三个正应力(σ1,σ2,σ3)、三个切应力(σ12,σ23,σ31)的对比，如图11到图14所示。由图可以看出格林函数方法得到的应力曲线和有限元结果曲线整体上吻合良好。
图中，a)格林函数方法和有限元对比——薄膜应力；b)格林函数方法和有限元对比——薄膜应力加弯曲应力；c)格林函数方法和有限元对比——总应力。
本发明的基于流固耦合分析的核级管道热应力格林函数快速计算法，涉及热疲劳强度评价领域，主要解决复杂传热条件下的温度格林函数与应力格林函数的建立与使用问题。根据流动边界流量变化范围通过流固耦合计算构造温度与应力格林函数网络化数据库，利用拉格朗日插值函数插值获取给定流动边界流量下的格林函数并根据温度阶跃数据进行卷积分计算，从而实现核级管道热应力格林函数法快速计算，进而对核级管道的疲劳损伤进行评价。本发明格林函数直接根据流固耦合计算获取，避免了热区划分与对流传热系数计算，最大程度上接近实际流动与传热状况，拉格朗日插值计算充分考虑了传热非线性特征，使得格林函数的快速计算更为准确可靠且高效，对核级管道疲劳损伤的评价也更加客观。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于流固耦合分析的核级管道疲劳损伤的评价方法，以双流动边界为例，其特征在于：包括如下步骤：
(a)根据分析部位的流量变化范围，构建流量网，在每个流量组合节点上构建温度阶跃下的归一化温度响应格林函数与应力响应格林函数；
(b)根据t时刻的流动边界的流量，插值计算温度格林函数与应力格林函数；
(c)根据格林函数法对时刻t流动边界上的温度阶跃载荷进行温度与应力响应的快速计算，根据计算得到的结果评价核级管道的疲劳损伤。
2.根据权利要求1所述的一种基于流固耦合分析的核级管道疲劳损伤的评价方法，其特征在于：步骤(a)中，格林函数包括稳态项与瞬态项，其中温度响应格林函数稳态项和瞬态项为和应力响应格林函数稳态项和瞬态项为和
3.根据权利要求2所述的一种基于流固耦合分析的核级管道疲劳损伤的评价方法，其特征在于：归一化温度响应格林函数与应力响应格林函数的计算包括首先进行基于平均温度的稳态流固耦合计算，然后进行基于平均温度阶跃的瞬态温度场计算，并将得到的瞬态计算的温度场作为温度载荷进行瞬态热应力的计算。
4.根据权利要求3所述的一种基于流固耦合分析的核级管道疲劳损伤的评价方法，其特征在于：设定主管道和上充管的外壁、管道端部横截面为绝热边界，在上充管管嘴和上充管连接焊缝处沿壁厚方向建立线性化评定路径，提取整理不同时刻评定路径上线性化应力，包括薄膜应力、薄膜加弯曲应力和总应力的六个应力分量随时间的变化值，进行归一化的格林函数瞬态项的计算。
5.根据权利要求1所述的一种基于流固耦合分析的核级管道疲劳损伤的评价方法，其特征在于：步骤(b)中，格林函数的插值计算包括在流量Q2j下，对Q1流量进行插值计算，得到Q1Q2j流量组合下所需的格林函数数据，具体如下：
6.根据权利要求5所述的一种基于流固耦合分析的核级管道疲劳损伤的评价方法，其特征在于：式(1)至式(8)中
7.根据权利要求1所述的一种基于流固耦合分析的核级管道疲劳损伤的评价方法，其特征在于：步骤(b)中，格林函数的插值计算还包括根据Q1Q2j流量组合下的格林函数数据对Q2流量进行插值计算，得到Q1Q2流量组合下所需的格林函数数据，具体如下：
8.根据权利要求7所述的一种基于流固耦合分析的核级管道疲劳损伤的评价方法，其特征在于：式(10)至式(17)中
9.根据权利要求1所述的一种基于流固耦合分析的核级管道疲劳损伤的评价方法，其特征在于：步骤(c)中，以双流动边界为例，t时刻流动边界上的温度阶跃载荷进行温度与应力响应的计算方法如下：
10.根据权利要求5-9任一项所述的一种基于流固耦合分析的核级管道疲劳损伤的评价方法，其特征在于：公式(1)到(20)中符号Q代表流量；G代表格林函数；L代表拉格朗日插值函数；n代表流量范围内计算点的个数；T代表温度；S代表应力；τ代表时间积分变量；Δ代表参量的变化值；公式(1)到(20)中的上标或下标符号中：0代表稳态值；1代表流动边界1；2代表流动边界2；min代表最小值；max代表最大值；m代表平均值；T代表温度；Tref代表参考温度；S代表应力；d代表衰减范围。
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