CN110598317B - 多物理场耦合构建屏蔽式核主泵数字样机方法 - Google Patents

Abstract

多物理场耦合构建屏蔽式核主泵数字样机方法，属于核反应堆冷却剂泵设计制造。构建步骤：一、依据核主泵零部件关联的流场、温度场、电磁场，考虑零部件几何和材料性质，确定各物理场计算域及边界条件，建立各物理场数学模型，通过有限元离散获得多物理场的实体模型，生成多物理场结构建模模块；二、基于核主泵非能动物理过程，采用分部迭代法对多物理场进行耦合计算，生成多物理场耦合计算模块，在实体模型上构建核主泵三维数字样机；三、通过核主泵性能分析模块接收三维数字样机，调用核主泵运行参数下多物理场耦合计算数据作为输入，输出核主泵水力特性、能耗特性、传热特性、运行载荷数据库的仿真结果。优点：核主泵工作特性及性能分析准确。

Description

多物理场耦合构建屏蔽式核主泵数字样机方法

技术领域

本发明涉及一种多物理场耦合构建屏蔽式核主泵数字样机方法，属于核反应堆冷却剂泵设计和制造领域。

背景技术

核主泵是驱动核岛内高温高压高放射性工作介质循环，将反应堆芯核裂变的热能传递给蒸汽发生器产生蒸汽，推动汽轮机发电的装备，也是核岛内唯一的连续高速旋转的装备。核主泵作为一回路承压边界的组成部分，要求在各种复杂工况下高效稳定运行，不发生非计划停堆，工作介质严格无外泄漏。在地震、火灾等瞬变灾变极端工况下，依靠自身惯性维持运转，提供足够流量的工作介质带走反应堆芯余热。核主泵内流动极其复杂，在较宽的压力和温度范围内，大流量瞬变工况下，必须保证泵内流场不出现汽蚀、大范围回流和分离现象，以适应在启停、断电、回路失水、地震等全工况的安全运行需求。

屏蔽式核主泵由泵壳、泵轴、叶轮、飞轮、导轴承、定转子屏蔽套、推力轴承等主要零部件组成。核主泵的核心组件转子既承受叶轮等水力部件变化的流体压力，又受到推力轴承、惰转飞轮、屏蔽套等间隙流动的非线性瞬态激励，具有高度非稳态和非线性响应特征。在运行过程中，由于屏蔽式核主泵结构、损耗分布、散热条件及工作环境的特殊性，核主泵零部件受到流场、温度场、电磁场等多物理场强耦合作用，核主泵泵壳组件和泵轴转子系统的传热特性、能耗特性及水力特性响应存在着复杂的多场耦合非线性问题。2009年李颖等报道了“核反应堆冷却剂循环泵全流道三维数值模拟及性能预估”论文，通过计算流体动力学数值模拟软件FLUENT，应用RNG k-ε湍流模型及SIMPLE算法对核主泵进行全流道三维数值模拟，获得了在不同工况下叶轮内部流动情况，分析了压力场和速度场分布规律，并开展了不同稳态工况下流场计算，得到不同稳态工况下水力部件压力分布及其对应的效率和扬程。2012年丁树业等报道了“核主泵屏蔽电机温度场研究”论文，针对屏蔽式核主泵内发热与冷却的复杂性及其高温高压工作特点，依据流体力学及传热学理论，建立了三维流场与温度场耦合的求解域物理模型，采用有限体积法对额定工况下电机内各部分温升进行了分析，电机定子股线、转子导条及冷却介质的温度分布规律可确定电机内的最高温升区域，为屏蔽式核主泵的冷却结构设计以及温度场计算提供理论依据。2014年王雨诗等报道了“核反应堆冷却泵屏蔽式感应电机屏蔽套涡流损耗分析与计算”论文，选取屏蔽式核主泵的感应电机为求解域，从电磁场涡流理论出发，结合有限元法推导出屏蔽套涡流损耗表达式，建立了二维涡流场数学模型，屏蔽套涡流损耗计算证明了定子屏蔽套涡流损耗是整个电机电磁损耗的主要部分。

近年来，大型水轮发电机和离心式压缩机等流体机械多物理场耦合数值仿真研究不断取得进展。2012年Xu等报道了“Computational model for investigating theinfluence of unbalanced magnetic pull on the radial vibration of large hydro-turbine generators”论文，基于大型水轮发电机电机空载特性曲线，考虑转子偏心量、励磁电流和铁磁材料饱和效应，采用分析方法代替有限元方法计算了不同转子偏心量和励磁电流下的不平衡磁拉力，建立了导轴承和推力轴承的转子有限元模型，分析非线性不平衡磁拉力的动态响应行为及其对水轮发电机径向振动的影响，并通过励磁试验数据比较，证明了计算模型的合理性。2012年李伟力等报道了“大型水轮发电机转子旋转状态下磁极间流体流动与温度场分析”论文，建立了大型水轮发电机的流体与固体耦合传热三维模型，采用共轭传热法对转子半个轴向段的流场与温度场进行了计算，研究了磁极间隙内流体流动形态对励磁绕组冷却效果的影响和不同入口流量下磁极间涡流变化规律，分析了磁极间挡风结构对涡流的减弱作用以及对励磁绕组冷却效果的影响。2016年Weaver等报道了“Transient analysis of gas-expanded lubrication and rotor dynamic performancein a centrifugal compressor”论文，对离心式压缩机瞬态动力特性进行了数值模拟，采用稳态热弹流轴承模型，将轴承刚度和阻尼系数作为输入，建立了基于Timoshenko梁有限元的转子动力学模型，研究了轴承动力学对压气机转子动力学性能的影响，以及离心式压缩机的稳定工况评估和失稳阈值，采用四阶Runge-Kutta法求解各节点的位移和速度，给出轴承刚度和阻尼系数的快速变化引起的旋转机械响应。

尽管在大型流体机械多物理场数值仿真方面已开展了大量研究，但是，屏蔽式核主泵数字样机构建及其性能仿真，仍受到多物理场耦合数值仿真存在的多变量、强耦合、非线性限制，屏蔽式核主泵数值模拟通常采取简化建模及求解过程，或者仅针对局部结构进行一两个物理场建模，尚无成熟的全面考虑多物理场的研究方法。采用一两个物理场耦合的建模方法，难以准确反映高温高压高放射性条件下核主泵工作特性及性能。因此，准确评估多场耦合作用下核主泵水力、能耗及传热等性能，可为核主泵的设计与制造提供依据，降低核主泵研制和运行成本。

发明内容

本发明的目的和任务：克服现有核主泵性能仿真数值模型只考虑一两个物理场的作用，未能全面考虑实际工况多物理场的耦合作用，无法准确评估核主泵水力、能耗、传热等特性的问题。结合屏蔽式核主泵零部件构成，考虑核主泵零部件所关联的流场、温度场、电磁场耦合作用，构建屏蔽式核主泵数字样机。

本发明采用的技术方案是：多物理场耦合构建屏蔽式核主泵数字样机方法，屏蔽式核主泵三维数字样机包括多物理场结构建模模块、多物理场耦合计算模块、核主泵性能分析模块，按照以下步骤构建：

（1）依据核主泵零部件所关联的流场、温度场、电磁场，考虑零部件几何结构和材料性质，确定各物理场计算域及边界条件，建立各物理场数学模型，通过有限元离散获得核主泵多物理场的实体模型，生成多物理场结构建模模块；

（2）遵循非能动设计理念，基于核主泵物理过程，采用分部迭代法对核主泵流场、温度场、电磁场进行耦合计算，生成多物理场耦合计算模块，在多物理场的实体模型上构建屏蔽式核主泵三维数字样机；

（3）通过核主泵性能分析模块接收所述的三维数字样机，根据核主泵水力特性、能耗特性、传热特性、运行载荷数据库的分析请求，调用核主泵运行参数下多物理场耦合计算数据作为输入，输出核主泵水力特性、能耗特性、传热特性、运行载荷数据库的仿真结果。

多物理场结构建模模块依据核主泵零部件所关联的泵壳与泵轴之间流场、温度场、电磁场作用，考虑泵壳、泵轴、叶轮及导叶、热屏、热交换器、飞轮、导轴承、电机定转子及屏蔽套、推力轴承的几何结构和材料性质，确定各物理场计算域及边界条件，建立各物理场数学模型，通过有限元离散获得核主泵多物理场的实体模型。其中，核主泵泵壳与泵轴之间所有零部件均关联流场作用，热屏和热交换器关联温度场作用，作为温度场边界条件，飞轮、导轴承、推力轴承关联温度场作用，作为温度场热源，电机定转子及屏蔽套关联温度场和电磁场作用，作为温度场热源。

多物理场耦合计算模块包括核主泵流场、温度场、电磁场耦合分析的分部迭代过程：Navier-Stokes（简写为N-S）方程水力分析工质的流动特性，Maxwell方程电磁场分析电磁功率损耗作为热源，用于热传导方程温度场分析，依据温度场更新工质的物理性质，N-S方程间隙流场分析/Reynolds方程热弹流润滑分析流体功率损耗作为热源，依据流场更新传热系数，再进行温度场分析，迭代计算直到温度场和流场同时收敛。

核主泵性能分析模块根据核主泵水力特性的分析请求，调用核主泵运行参数下多物理场耦合计算数据作为输入，输出包括流量、扬程、压力脉动、出口压力的核主泵水力特性仿真结果。

核主泵性能分析模块根据核主泵能耗特性的分析请求，调用核主泵运行参数下多物理场耦合计算数据作为输入，基于物理过程运算后输出飞轮、电机转子的摩擦功率损耗，叶轮、飞轮、电机转子的搅拌功率损耗，电机定转子及屏蔽套电磁损耗的核主泵能耗特性仿真结果。

核主泵性能分析模块根据核主泵传热特性的分析请求，调用核主泵运行参数下多物理场耦合计算数据作为输入，输出核主泵零部件温度梯度、温度分布、最大温度区域的核主泵传热特性仿真结果。

核主泵性能分析模块根据核主泵运行载荷数据库的分析请求，调用核主泵运行参数下多物理场耦合计算的数据作为输入，输出叶轮水力载荷、电机定转子扭矩载荷、电机定转子及屏蔽套电磁拉力、导轴承和推力轴承液膜刚度与阻尼、飞轮和屏蔽套间隙环流附加质量、刚度与阻尼，生成核主泵运行载荷数据库。

本发明的优点：多物理场耦合构建屏蔽式核主泵数字样机方法，与传统建模方法相比，全面考虑核主泵流场、温度场、电磁场耦合作用建模，满足具有多变量、强耦合、非线性特点的核主泵性能仿真需求，准确分析多场耦合作用下核主泵水力、能耗及传热等性能，可为核主泵的设计与制造提供依据，降低核主泵研制和运行成本。

附图说明

图1是多物理场耦合构建屏蔽式核主泵数字样机方法的工作流程图。

图2是多物理场结构建模模块中零部件所关联的流场、温度场、电磁场作用示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步说明本发明的细节：

利用屏蔽式核主泵多物理场结构建模模块、多物理场耦合计算模块和核主泵性能分析模块实现的多物理场建模和耦合分析，提供了一种准确表征核主泵工作特性及性能，降低核主泵设计、制造和运行成本的屏蔽式核主泵数字样机构建方法。

实施例1将结合本发明附图，对本发明应用于屏蔽式核主泵水力特性分析的技术方案进行描述。

如图1所示，本发明提供的多物理场耦合构建屏蔽式核主泵数字样机方法，用于构建核主泵三维数字样机，包括多物理场结构建模模块、多物理场耦合计算模块、核主泵性能分析模块，考虑核主泵水力特性分析需求，按照以下步骤构建：

（1）依据核主泵零部件所关联的流场、温度场、电磁场，考虑零部件几何结构和材料性质，确定各物理场计算域及边界条件，建立各物理场数学模型，通过有限元离散获得核主泵多物理场的实体模型，生成多物理场结构建模模块；

（2）遵循非能动设计理念，基于核主泵物理过程，采用分部迭代法对核主泵流场、温度场、电磁场进行耦合计算，生成多物理场耦合计算模块，在多物理场的实体模型上构建屏蔽式核主泵三维数字样机；

（3）通过核主泵性能分析模块接收所述的三维数字样机，根据核主泵水力特性、能耗特性、传热特性、运行载荷数据库的分析请求，调用核主泵运行参数下多物理场耦合计算数据作为输入，输出核主泵水力特性、能耗特性、传热特性、运行载荷数据库的仿真结果。

如图2所示，多物理场结构建模模块依据核主泵零部件所关联的泵壳与泵轴之间流场作用，考虑泵壳、叶轮及导叶的几何结构和材料性质，确定流场计算域及边界条件，建立数学模型，通过有限元离散获得核主泵流场的实体模型。

多物理场耦合计算模块包括核主泵流场分析的迭代过程：N-S方程水力分析工质的流动特性，迭代计算直到流场收敛。

核主泵性能分析模块根据核主泵水力特性的分析请求，调用核主泵运行参数下流场计算数据作为输入，输出包括流量、扬程、压力脉动、出口压力的核主泵水力特性仿真结果。

实施例2将结合本发明附图，对本发明应用于屏蔽式核主泵能耗特性分析的技术方案进行描述。

如图1所示，本发明提供的多物理场耦合构建屏蔽式核主泵数字样机方法，用于构建核主泵三维数字样机，包括多物理场结构建模模块、多物理场耦合计算模块、核主泵性能分析模块，考虑核主泵能耗特性分析需求，按照以下步骤构建：

（1）依据核主泵零部件所关联的流场、温度场、电磁场，考虑零部件几何结构和材料性质，确定各物理场计算域及边界条件，建立各物理场数学模型，通过有限元离散获得核主泵多物理场的实体模型，生成多物理场结构建模模块；

（2）遵循非能动设计理念，基于核主泵物理过程，采用分部迭代法对核主泵流场、温度场、电磁场进行耦合计算，生成多物理场耦合计算模块，在多物理场的实体模型上构建屏蔽式核主泵三维数字样机；

（3）通过核主泵性能分析模块接收所述的三维数字样机，根据核主泵水力特性、能耗特性、传热特性、运行载荷数据库的分析请求，调用核主泵运行参数下多物理场耦合计算数据作为输入，输出核主泵水力特性、能耗特性、传热特性、运行载荷数据库的仿真结果。

如图2所示，多物理场结构建模模块依据核主泵零部件所关联的泵壳与泵轴之间流场、温度场、电磁场作用，考虑泵壳、泵轴、叶轮、热屏、热交换器、飞轮、导轴承、电机定转子及屏蔽套、推力轴承的几何结构和材料性质，确定各物理场计算域及边界条件，建立各物理场数学模型，通过有限元离散获得核主泵多物理场的实体模型。其中，核主泵泵壳与泵轴之间所有零部件均关联流场作用，热屏和热交换器关联温度场作用，作为温度场边界条件，飞轮、导轴承、推力轴承关联温度场作用，作为温度场热源，电机定转子及屏蔽套关联温度场和电磁场作用，作为温度场热源。

多物理场耦合计算模块包括核主泵流场、温度场、电磁场耦合分析的分部迭代过程： N-S方程水力分析工质的流动特性，Maxwell方程电磁场分析电磁功率损耗作为热源，用于热传导方程温度场分析，依据温度场更新工质的物理性质，N-S方程间隙流场分析/Reynolds方程热弹流润滑分析流体功率损耗作为热源，依据流场更新传热系数，再进行温度场分析，迭代计算直到温度场和流场同时收敛。

核主泵性能分析模块根据核主泵能耗特性的分析请求，调用核主泵运行参数下多物理场耦合计算数据作为输入，基于物理过程运算后输出飞轮、电机转子的摩擦功率损耗，叶轮、飞轮、电机转子的搅拌功率损耗，电机定转子及屏蔽套电磁损耗的核主泵能耗特性仿真结果。

实施例3将结合本发明附图，对本发明应用于屏蔽式核主泵传热特性分析的技术方案进行描述。

如图1所示，本发明提供的多物理场耦合构建屏蔽式核主泵数字样机方法，用于构建核主泵三维数字样机，包括多物理场结构建模模块、多物理场耦合计算模块、核主泵性能分析模块，考虑核主泵传热特性分析需求，按照以下步骤构建：

（1）依据核主泵零部件所关联的流场、温度场、电磁场，考虑零部件几何结构和材料性质，确定各物理场计算域及边界条件，建立各物理场数学模型，通过有限元离散获得核主泵多物理场的实体模型，生成多物理场结构建模模块；

（2）遵循非能动设计理念，基于核主泵物理过程，采用分部迭代法对核主泵流场、温度场、电磁场进行耦合计算，生成多物理场耦合计算模块，在多物理场的实体模型上构建屏蔽式核主泵三维数字样机；

（3）通过核主泵性能分析模块接收所述的三维数字样机，根据核主泵水力特性、能耗特性、传热特性、运行载荷数据库的分析请求，调用核主泵运行参数下多物理场耦合计算数据作为输入，输出核主泵水力特性、能耗特性、传热特性、运行载荷数据库的仿真结果。

如图2所示，多物理场结构建模模块依据核主泵零部件所关联的泵壳与泵轴之间流场、温度场、电磁场作用，考虑泵壳、泵轴、叶轮、热屏、热交换器、飞轮、导轴承、电机定转子及屏蔽套、推力轴承的几何结构和材料性质，确定各物理场计算域及边界条件，建立各物理场数学模型，通过有限元离散获得核主泵多物理场的实体模型。其中，核主泵泵壳与泵轴之间所有零部件均关联流场作用，热屏和热交换器关联温度场作用，作为温度场边界条件，飞轮、导轴承、推力轴承关联温度场作用，作为温度场热源，电机定转子及屏蔽套关联温度场和电磁场作用，作为温度场热源。

多物理场耦合计算模块包括核主泵流场、温度场、电磁场耦合分析的分部迭代过程：Maxwell方程电磁场分析电磁功率损耗作为热源，用于热传导方程温度场分析，依据温度场更新工质的物理性质，N-S方程间隙流场分析/Reynolds方程热弹流润滑分析流体功率损耗作为热源，依据流场更新传热系数，再进行温度场分析，迭代计算直到温度场和流场同时收敛。

核主泵性能分析模块根据核主泵传热特性的分析请求，调用核主泵运行参数下多物理场耦合计算数据作为输入，输出核主泵零部件温度梯度、温度分布、最大温度区域的核主泵传热特性仿真结果。

实施例4将结合本发明附图，对本发明应用于屏蔽式核主泵运行载荷数据库分析的技术方案进行描述。

如图1所示，本发明提供的多物理场耦合构建屏蔽式核主泵数字样机方法，用于构建核主泵三维数字样机，包括多物理场结构建模模块、多物理场耦合计算模块、核主泵性能分析模块，考虑核主泵传热特性分析需求，按照以下步骤构建：

（1）依据核主泵零部件所关联的流场、温度场、电磁场，考虑零部件几何结构和材料性质，确定各物理场计算域及边界条件，建立各物理场数学模型，通过有限元离散获得核主泵多物理场的实体模型，生成多物理场结构建模模块；

（2）遵循非能动设计理念，基于核主泵物理过程，采用分部迭代法对核主泵流场、温度场、电磁场进行耦合计算，生成多物理场耦合计算模块，在多物理场的实体模型上构建屏蔽式核主泵三维数字样机；

（3）通过核主泵性能分析模块接收所述的三维数字样机，根据核主泵水力特性、能耗特性、传热特性、运行载荷数据库的分析请求，调用核主泵运行参数下多物理场耦合计算数据作为输入，输出核主泵水力特性、能耗特性、传热特性、运行载荷数据库的仿真结果。

如图2所示，多物理场结构建模模块依据核主泵零部件所关联的泵壳与泵轴之间流场、温度场、电磁场作用，考虑泵壳、泵轴、叶轮、热屏、热交换器、飞轮、导轴承、电机定转子及屏蔽套、推力轴承的几何结构和材料性质，确定各物理场计算域及边界条件，建立各物理场数学模型，通过有限元离散获得核主泵多物理场的实体模型。其中，核主泵泵壳与泵轴之间所有零部件均关联流场作用，热屏和热交换器关联温度场作用，作为温度场边界条件，飞轮、导轴承、推力轴承关联温度场作用，作为温度场热源，电机定转子及屏蔽套关联温度场和电磁场作用，作为温度场热源。

多物理场耦合计算模块包括核主泵流场、温度场、电磁场耦合分析的分部迭代过程： N-S方程水力分析工质的流动特性，Maxwell方程电磁场分析电磁功率损耗作为热源，用于热传导方程温度场分析，依据温度场更新工质的物理性质，N-S方程间隙流场分析/Reynolds方程热弹流润滑分析流体功率损耗作为热源，依据流场更新传热系数，再进行温度场分析，迭代计算直到温度场和流场同时收敛。

核主泵性能分析模块根据核主泵运行载荷数据库的分析请求，调用核主泵运行参数下多物理场耦合计算的数据作为输入，输出叶轮水力载荷、电机定转子扭矩载荷、电机定转子及屏蔽套电磁拉力、导轴承和推力轴承液膜刚度与阻尼、飞轮和屏蔽套间隙环流附加质量、刚度与阻尼，生成核主泵运行载荷数据库。

Claims (1)

1.多物理场耦合构建屏蔽式核主泵数字样机方法，其特征在于，所述屏蔽式核主泵数字样机包括多物理场结构建模模块、多物理场耦合计算模块、核主泵性能分析模块，按照以下步骤构建：

（1）依据核主泵零部件所关联的流场、温度场、电磁场，考虑零部件几何结构和材料性质，确定各物理场计算域及边界条件，建立各物理场数学模型，通过有限元离散获得核主泵多物理场的实体模型，生成多物理场结构建模模块；

（2）遵循非能动设计理念，基于核主泵物理过程，采用分部迭代法对核主泵流场、温度场、电磁场进行耦合计算，生成多物理场耦合计算模块，在多物理场的实体模型上构建屏蔽式核主泵三维数字样机；

（3）通过核主泵性能分析模块接收所述三维数字样机，根据核主泵水力特性、能耗特性、传热特性、运行载荷数据库的分析请求，调用核主泵运行参数下多物理场耦合计算数据作为输入，输出核主泵水力特性、能耗特性、传热特性、运行载荷数据库的仿真结果；

所述多物理场结构建模模块依据核主泵零部件所关联的泵壳与泵轴之间流场、温度场、电磁场作用，考虑泵壳、泵轴、叶轮及导叶、热屏、热交换器、飞轮、导轴承、电机定转子及屏蔽套、推力轴承的几何结构和材料性质，确定各物理场计算域及边界条件，建立各物理场数学模型，通过有限元离散获得核主泵多物理场的实体模型；

所述核主泵的泵壳与泵轴之间所有零部件均关联流场作用，热屏和热交换器关联温度场作用，作为温度场边界条件，飞轮、导轴承、推力轴承关联温度场作用，作为温度场热源，电机定转子及屏蔽套关联温度场和电磁场作用，作为温度场热源；

所述核主泵性能分析模块根据核主泵水力特性的分析请求，调用核主泵运行参数下多物理场耦合计算数据作为输入，输出包括流量、扬程、压力脉动、出口压力的核主泵水力特性仿真结果；

所述核主泵性能分析模块根据核主泵能耗特性的分析请求，调用核主泵运行参数下多物理场耦合计算数据作为输入，基于物理过程运算后输出飞轮、电机转子的摩擦功率损耗，叶轮、飞轮、电机转子的搅拌功率损耗，电机定转子及屏蔽套电磁损耗的核主泵能耗特性仿真结果；

所述核主泵性能分析模块根据核主泵传热特性的分析请求，调用核主泵运行参数下多物理场耦合计算数据作为输入，输出核主泵零部件温度梯度、温度分布、最大温度区域的核主泵传热特性仿真结果；

所述核主泵性能分析模块根据核主泵运行载荷数据库的分析请求，调用核主泵运行参数下多物理场耦合计算的数据作为输入，输出叶轮水力载荷、电机定转子扭矩载荷、电机定转子及屏蔽套电磁拉力、导轴承和推力轴承液膜刚度与阻尼、飞轮和屏蔽套间隙环流附加质量、刚度与阻尼，生成核主泵运行载荷数据库；

其特征在于，所述的多物理场耦合计算模块，包括核主泵流场、温度场、电磁场耦合分析的分部迭代过程：Navier-Stokes方程水力分析工质的流动特性，Maxwell方程电磁场分析电磁功率损耗作为热源，用于热传导方程温度场分析，依据温度场更新工质的物理性质，Navier-Stokes方程间隙流场分析/Reynolds方程热弹流润滑分析流体功率损耗作为热源，依据流场更新传热系数，再进行温度场分析，迭代计算直到温度场和流场同时收敛。

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