核能行业CAE解决方案及应用

1、核能行业CAE解决方案及应用汇报内容背景简介核电行业CAE仿真需求分析CAE解决方案与项目实例介绍总结核电行业开展仿真分析的意义降低成本、更快投入使用及早使用CAE仿真可以大大缩短设计时间，指导设计、加工、建设和试验可以对假设工况进行仿真，加速设计流程和投入使用时间规范化、流程化核电设计、试验、建设流程，提高可用性和重复利用率安全许多极端事故不能一一通过试验来进行测试，通过仿真手段可以模拟任意极端事故针对极端事故仿真可以设计相应的应对措施设计规范政府机构对核电设计和运行有严格的工程数据和流程规范，包括仿真规范核电工程中的CAE应用与研发管理NVH多场耦合颗粒工程结构与耐久性研发管理电磁三维CF

2、D流体系统工程化专业化支持最佳实践持续改进业务设备、系统与电站部件级到系统级的链式分析多学科与跨学科的耦合分析流体动力学结构力学显式动力学电磁学声学颗粒力学系统仿真数据管理知识积累应用集成过程控制技术革新虚拟试验流程改进协同管理CAE 仿真技术面临的挑战汇报内容背景简介核电行业CAE仿真需求分析CAE解决方案与项目实例介绍总结热工水力分析方案与项目案例M310核蒸汽供应系统计算与分析非能动核电站PCCWST排水过程仿真乏燃料干式贮存容器热工分析蒸汽发生器CFD仿真分析其它项目示例核电一二回路系统运行过程中介质会有水汽相变的复杂过程。设备启停、调阀过程中，系统中会出现汽锤、水锤、气穴等不利现象，

3、一定的危害性，设计时需进行考虑，满足安全准则要求。泵的调速/切换、阀的动态调节是由控制系统实现的，如何考虑控制系统对热流体系统工作特性的影响。系统中加压泵、流量调节阀、孔板等各类关键部件在系统中的工作特性及其匹配性。复杂管网如何设计孔板或调阀，使管网各用户流量均满足设计要求，即流量配平问题。系统可靠性设计问题对工程师来说，也是一项非常严峻的挑战，如安全壳非能动冷却系统。物理试验存在固有局限性，如试验周期长、试验成本高、难以搭建试验台等，如何通过仿真获得更多的数据。需求分析泵、阀等设备性能能否满足设计要求，避免出现调试时才发现设备问题的现象。设计阶段，蒸汽发生器等换热器无法提供实验数据，如何进行

4、性能预测。如何提高燃料棒的换热系数，尽可能地提高换热效率。地震时，水箱内水的晃动是否会造成常压水箱损坏。需求分析专业化与工程化并进的CFD解决方案FloEFD：同步CFD分析方案，完全嵌入CAD系统之中，直接使用原始结构模型，自动识别、建立流体域，自动划分网格，支持迭代式分析与优化设计FloTHERM：电子冷却行业主导的专业CFD软件，全球电子散热CFD分析70%以上的市场占有率，电子散热分析的标准软件FloVENT：舱室、HVAC与建筑流场CFD分析专家，可开展浓度扩散、通风效能、污染物移除效能、温度、湿度、舒适度等分析PumpLinx：运动机械CFD模拟专家，内置各类泵、阀、风扇与压缩机模

5、板，提供转子区动网格模板，自适应笛卡尔网格技术，具备完备的空化与汽蚀模型Fluent / CFX / Flow-3D / Simerics：通用CFD解决方案，功能全面，求解各类常规流动、传热问题Barracuda：工业级颗粒-流动与复杂化学反应问题的模拟专家，全球首款CPFD （计算颗粒流体力学）软件Flowmaster：热流体系统仿真软件，应用领域涵盖核电一、二回路主辅系统，国内外核电工业广泛应用部件级-系统级链式CFD解决方案系统级1D CFD方案Flowmaster系统级3D CFD方案-PumpLinx3D CFD-FloEFD、Fluent及其它CFD软件设计-CFD仿真-优化集成

6、解决方案产品“全参数和半参数化曲面建模”多种变形设计方案自动CAE/CFD仿真试验设计和多目标优化自动改进多方案比对、可视化和报告生成大大提高设计过程的标准化、效率和能耗指标热工水力系统及三维CFD仿真部分项目客户名称项目名称说明中国核动力研究设计院M310核蒸汽供应系统仿真Flowmaster系统仿真验证，包含RCP、RRA、VVP、RCV、ARE等9个系统；仿真规范、平台建设中国核动力研究设计院模块式小型堆流体工艺系统运行特性分析与仿真Flowmaster系统仿真验证，包含RCS、REB、TSM、RHR等8个系统中广核工程设计有限公司核岛工艺系统专业Flowmaster仿真&验证项目Flo

7、wmaster系统仿真验证，包含：RRA、RCV、APG、ASG、EAS、RRI、SRU、SEC等系统上海核工程设计院（728）Flowmaster应用开发验证仿真验证包括SIS、SCS、SRC、SRH、SCW等7个系统；1D-3D联合中国核电工程有限公司工艺系统及关键部件模拟仿真研究Flowmaster模拟水池通风系统及三维CFD模拟RFD设备中国核电工程有限公司（核二院）沉降式离心机流场仿真分析三维CFD模拟中国核电工程有限公司（核二院）溶解器CFD模拟项目三维CFD模拟中国核电工程有限公司（核二院）批式溶解器CFD模拟项目三维CFD模拟项目示例：M310核蒸汽供应系统仿真系统建模与仿真针

8、对RCP、RIS、EAS、RRA、RCV、ARE、ASG、VVP、GCT开展系统仿真元件定制与开发稳压器、汽动泵、喷淋集管（两个系列）、蒸汽发生器等专用部件的定制开发数据库与平台建设核电工业专用数据库开发与定制分布式安装、平台建设系统仿真实施规范的建立Flowmaster软件核电工业实施规范的建立项目示例：M310核蒸汽供应系统仿真反应堆冷却剂系统（RCP）安全壳喷淋系统（EAS）主给水流量控制系统（ARE）辅助给水系统（ASG）余热排出系统（RRA）化学和容积控制系统（RCV）安全注入系统（RIS）主蒸汽系统（VVP）大气排放系统（GCT-A）蒸汽排污系统（APG）设备冷却水 （RRI）重要

9、厂用水系统（SEC）反应堆水池和乏燃料水池冷却与处理系统（PTR）核电专用热流体元件开发项目示例：辅助给水系统分析 试验结果不满足准则要求 国内某百万千瓦电站试验时，模拟主给水管道破裂工况下时，ASG系统的破口流量达到了261.2m/h，不满足要求。若不及时解决，会影响到该机组的装料。破损蒸发器的流量必须小于250m/h。国内两个设备与设计要求有偏差 辅助给水泵：辅助给水泵额定点不满足设计要求。 调节阀（ASG012-017VD）：ASG调节阀最大开度下的Cv值为32。大于设计值要求的最大Cv值为25.115。更换泵：系统破口流量对扬程不敏感。调整调节阀开度：通过Flowmaster及试验验证

10、，但阀若长期处于挡块阻挡状态，可能造成挡块将阀门的气动膜面压破，造成阀门失效。调整节流孔板：减小孔板孔径来增加管网的阻力，通过Flowmaster及试验验证。项目示例：辅助给水系统分析选取孔径18.5mm项目示例：辅助给水系统分析项目示例：辅助给水系统分析 事例1：2012年3月，红沿河现场热试结果显示“RCP测温旁路流量偏小”。最初认为是设计问题。设计院利用“RCP测温旁路模型”，分析确定是现场安装的阀门阻力远大于系统设计要求所致。 事例2：2012年3月，红沿河REA&RIS&RCV系统现场调试出现系统流量偏小，现场认为是设计问题。设计院利用仿真模型分析确定是大连大高阀门厂生产的逆止阀阻力

11、系数超标所致。 事例3：2012年2月，红沿河“RRI_PTR改支路” 的调试试验显示支路流量严重不平衡，且流量值远偏离设计要求。现场无试验窗口进一步收集压力等数据。在“数据黑匣”的条件下，系统工程师利用RRI模型，分析推测是孔板孔径不满足设计要求所致，要求调试部门拆卸检查。检查发现：现场安装的是此支路改造之前的旧孔板。 事例4：2012年3月，红沿河PTR系统调试出现气蚀。系统工程师检查发现是早期设计时PTR仿真模型中孔板的标高没有设置造成的。系统工程师利用更新的PTR模型增加了孔板进行分压，及时消除了系统的气蚀现象。项目示例：红沿河系统仿真项目部分成果PCS系统储水箱回路示意图项目示例：P

12、CCWST系统1D-3D 联合分析项目示例：PCCWST系统1D-3D 联合分析1D+3D联合仿真：Flowmaster、3D CFD软件和MpCCI。排水管非满流由VOF模型求解，储水箱环路由Flowmaster来建模求解，对PCCWST的水装量和排水流量进行论证。项目示例：反应堆冷却剂系统仿真AP1000反应堆冷却剂系统仿真模型项目示例：系统级水锤特性分析对于由于泵的特性变化、阀门动作、LOKA产生的压力脉动在整个管道系统内的传播、叠加现象需开展相应研究工作。Flowmaster可高效、精确地分析整个管道系统内的压力、温度、流速等参数。项目示例：蒸汽发生器技术要求： 蒸汽发生器传热管及其内

13、部结构设计需考虑在运行状态和设计基准事故工况（如蒸汽管道破裂事故）下，预期出现的最大应力和最严重的疲劳状况。需优化蒸汽发生器内的流场以防止存在滞流区域（避免沉淀物积累）和传热管中不可接受的流致振动。模拟了216根U形换热管由于换热管区域管道很密，在此采用多孔介质来进行简化模拟仿真结果与实测偏差仅约10%项目示例：蒸汽发生器项目示例：燃料棒自然循环冷却燃料组件主要由缠绕金属绕丝的燃料棒按照三角形栅格装入六角形外套管而构成。根据栅格排列方式，组件中燃料棒数目总共近200根。采用六面体结构化网格K-模型考虑浮力壁面绝热进行瞬态计算项目示例：燃料棒自然循环冷却绕丝区域采用UDF进行了标记燃料棒衰变热功

14、率通过UDF来定义氩气物性通过UDF来定义泵、阀的仿真换热器的热流场分析通风空调元件仿真堆内构件流动与热特性分析项目示例：核电部件设备热流场分析项目示例：晃荡分析晃荡分析项目示例核电化工设备CFD模拟离心机气液分离动态结果溶解器溶解过程模拟结果项目示例：设计CFD仿真优化集成分析项目示例：系统级3D CFD水锤特性分析项目示例：余热排出泵试验台CFD分析实验台架流体域结构阀门流体域水箱网格泵网格项目示例：余热排出泵试验台CFD分析台架系统的压力分布云图泵截面压力分布泵截面速度矢量在稳态和瞬态计算时，单泵和系统的计算结果趋势一致瞬态计算结果可以看出，相同的流量下，单泵模拟的扬程均高于系统内泵的扬

15、程，通过观察发现系统内泵进出口管路均产生了大量的漩涡。系统级的仿真更真实。结构振动、噪声分析方案与项目案例蒸汽发生器干燥器和主蒸汽管线声共振研究主控制室隔声分析其它项目示例核电振动噪声需求分析堆内构件结构主控制室某型电站模型示意图问题一：设备产生的声源问题系统所：管道阀门、泵的脉动声源计算问题二：管路系统脉动压力传播系统所：一回路、二回路管路系统的脉动压力传播分析问题三：脉动压力对设备的影响堆芯所：核燃料棒流致振动分析设备所：蒸汽发生器、堆内构件脉动压力影响分析问题四：主控制室噪声预测与优化公用设施所：主控制室噪声预测公用设施所：主控制室噪声分析软件开发问题五：管道排气噪声的控制系统所：管路系

16、统排气噪声控制研究核电振动噪声问题分类结构与NVH跨学科仿真分析方案疲劳分析跌落、碰撞/显式非线性非线性线性声学分析FatigueDytranMarcMSC NastranActran串行 迭代松散的耦合手工驱动蒸汽发生器干燥器项目整体规划干蒸汽由蒸汽发生器主蒸汽管嘴流入主蒸汽管线，主蒸汽管线如设计或安装不当，往往会在主蒸汽管线阀门交接处形成“声共振”。声共振的脉动压力经主蒸汽管线传播，将作用到干燥器表面。研究者一致认为：“声共振”是导致蒸汽发生器干燥器失效的重要原因。蒸汽发生器干燥器项目技术路线上腔室内部声场分布阀门共振腔噪声沿主蒸汽管道声传播干燥器表面声载荷一期项目：项目整体规划蒸汽发生器

17、干燥器和主蒸汽管线声共振基础研究蒸发器上腔室模型1-蒸汽发生器干燥器声疲劳实验方案研究2-阀门共振腔系统实验方案研究3-主蒸汽管线声脉动压力传播计算方案研究行波管混响腔模型旁支管共振腔亥姆霍兹共振腔主管道弯管主蒸汽管线声脉动压力传播计算方案研究序号模型描述几何声学激励E1主管道弯管弯管角度90弯管曲率半径2896mm单位能量的平面波E2_1主管道+支管支管内径25mm,支管高度100mm单位能量的平面波E2_2支管内径25mm,支管高度500mmE3多个阀门声源耦合作用安全阀声源：6个，间隔991mm隔离阀声源：1个，安全阀上游1860mm安全阀声源：频率220Hz，强度100 dB隔离阀声源

18、：频率120Hz，强度120dBE4主蒸汽管线整体声学传递损失特性E1E2E3声场分布云图E4模型-主蒸汽管线传递损失声压级分布云图二期项目：项目整体情况简介B子项管道阀门共振腔系统模型试验研究A子项蒸汽发生器上腔室声场试验研究干燥器波形板声疲劳考核试验研究D子项蒸汽发生器干燥器和主蒸汽管线声共振试验研究项目示例：主控制室隔声分析玻璃窗隔声混凝土墙隔声结构声传播玻璃窗混凝土墙吻合频率结构声传递项目示例：管道阀门ACTRAN软件与CFD软件联合仿真，计算因阀门共振引起的声源，并提取管道任意位置的声压响应。评价噪声与流速、管道形状的关系；获得管道内流体声级响应，协助定义管道内的脉动声源。阀门共振腔

19、声压级分布云图特征场点频响曲线项目示例：泵 ACTRAN软件与Pumplinx软件联合仿真，计算泵工作引起的振动以及辐射噪声。预测泵引起的流噪声以及振动响应，评估设备影响；获得管道内流体声级响应，协助定义管道内的脉动声源。泵CFD分析泵振动分析声场分布ACTRAN软件与CFD软件联合仿真，计算因管道内部气流流动引起的振动以及辐射噪声。预测不同流速、管道形状对振动、辐射噪声的影响；获得管道振动响应分布，优化卡箍部位。项目示例：管道振动与辐射噪声分析管道内部压力分布管壁振动响应管道外部声场项目示例：结构与冲击、跌落分析静强度仿真疲劳分析模态热力学仿真核燃料容器设计关键部件的性能跌落过程的展现导致失

20、效的真实原因跌落仿真结构的冲击强度关键部件的性能冲击载荷模态分析冲击分析确定结构在无阻尼、自由振动条件下的固有频率和固有振型随机振动分析建立有限元模型项目示例：设备级动力学特性分析随机振动响应、随机振动疲劳分析获取时间-加速度曲线惯性分析（加速度分析）获取不同加速度下的应力与形变结果多场耦合解决方案与项目案例非能动系统安全壳自然对流分析IVR问题分析热分层问题分析其它项目示例在核电相关研究课题中，涉及流-固耦合、流-固-热耦合及一维和三维耦合等问题，如非能动安全壳冷却、IVR的流-固-热耦合，储水箱回路与排水管路一维三维耦合，堆内构件、管路的流致振动等。针对这些问题，如独立采用流体、结构、系统

21、软件进行仿真，不能完整地描述实际的物理现象，没有准确的边界条件，难以获取准确的结果。需求分析如安全壳内的热蒸汽接触到内壳时发生冷凝将热量传递给壳体；当冷却水喷淋到外壳上时发生汽化吸收从壳体传来的热量，最终随着空气自然对流将热量带出安全壳。仅使用流体或结构软件，不能准确的计算出从内壳传递到外壳的热量，则安全壳冷却系统的冷却效果也不能准确预测。这些情况也发生在热分层、蒸汽阀门、堆内构件、IVR等流-固-热耦问题上。需求分析MpCCI （Mesh-based parallel Code Coupling Interface）由德国SCAI开发，SCAI下属于Fraunhofer-Gesellscha

22、ft （弗劳恩霍夫应用研究促进协会）德国也是欧洲最大的应用科学研究机构。MpCCI具有强大的多学科、多模型、多维度的耦合功能，并具备强大的API开发接口。基于MpCCI的多场耦合分析方案MpCCI支持的主要CAE软件项目示例：非能动安全壳冷却系统项目示例：安全壳冷却问题CAE解决方案MpCCI数据交换安全壳外部流场模拟（3D CFD）安全壳传热模拟（Nastran、Abaqus等）安全壳内部流场模拟（3D CFD）以MpCCI实现内外复杂热流场（含蒸发、冷凝）、结构传热的耦合分析冷态工况下，安全壳外表面附近水流分布情况模拟：采用VOF模型与UDM功能（近似处理微米级水膜），选取不同的安全壳结构

23、参数，例如不同的直径、不同的围堰位置，计算安全壳球形表面的水膜分布情况；主要考虑水膜的均匀性与膜厚分布。热态工况下，安全壳外表面附近水流分布情况模拟：除了使用通用多相流模型和基本的传热模型外，采用Fluent的UDF功能实现特定模型或应用试验数据和/或经验关系的使用，考虑饱和沸腾与过冷沸腾的影响。项目示例：安全壳冷却系统验证性仿真项目示例：安全壳冷却系统验证性仿真项目示例：IVR问题分析IVR-ERVC属于液-固-汽的耦合传热问题。液-固凝固相变固-液熔化相变液-汽沸腾相变汽-液两相流动瞬态问题物理现象非常复杂沸腾无现成模型可用，需二次开发项目示例：IVR问题分析方案RPV外部补水冷却水沸腾液

24、体沸腾相变与两相流RPV内部冷却UO2凝固液体凝固相变RPV钢壁内侧Fe熔化固体熔化相变RPV钢壁Fe高温蠕变结构力学耦合传热：传导+对流+辐射项目示例： IVR问题CAE解决方案MpCCI数据交换RPV外部流场模拟（3D CFD）RPV传热模拟（Nastran、Abaqus等）RPV内部流场模拟（3D CFD）项目示例： IVR问题的验证性仿真分析项目示例： IVR问题加热棒CFD分析温度分布速度分布液相体积分数速度矢量项目示例：热分层问题三场耦合分析采用多场耦合分析的方法，可以对管内流动与结构应力、应变、热分层等进行耦合分析某阀门的流固耦合模拟波动管内温度分布不均弯曲应力参考示例：JAEA

25、电站级的地震响应分析消氢器/燃烧器化学反应及CFD仿真方案与项目案例消氢器化学反应过程仿真消氢器CFD仿真示例燃烧器CFD仿真示例核电站发生事故时会有氢气泄露泄露的氢气要及时通过燃烧处理掉通过模拟评价燃烧器设计的效果需求分析消氢器化学反应过程仿真难点任何涉及到化学反应的模拟，其核心都在于需要首先确定合适的化学反应体系及准确的反应动力学文献结果只能提供参考，不能直接用于不同问题的模拟通过实验确定反应体系及反应动力学是基本的手段和方法，但是如何从实验数据获得具体的动力学参数却十分困难反应体系和动力学形式复杂消氢器化学反应过程仿真方案基于联立方程法的参数估计与实验设计方法符合真实实验的数学模型任意数

26、量的化学反应任意形式的反应动力学方程通过参数估计的误差分析指导实验设计消氢器化学反应过程仿真方案消氢器化学反应过程仿真方案化学反应动力学计算示例CH2=CHCHO + 0.5O2 - CH2=CHCOOHCH2=CHCHO + 3.5O2 - 3CO2 + 2H2OCH2=CHCOOH + 3.0O2 - 3CO2 + 2H2OCH2=CHCHO + 1.5 O2 - CH3COOH + CO2CH3COOH + 2 O2 - 2CO2 + 2H2O5个反应，12个未知动力学参数消氢器化学反应过程仿真方案实验反应器模型管式固定床反应器不同配比的两段催化剂床层消氢器化学反应过程仿真方案实验方案不

27、同原料流率、不同操作温度ExperimentNameFeed Flow Rate (kg/s)Coolant Temperature ()1SV_085_CT_265C3.30235E-42652SV_100_CT_260C3.885117E-42603SV_100_CT_265C3.885117E-42654SV_100_CT_269C3.885117E-42695SV_125_CT_265C4.8564E-42656SV_150_CT_265C5.82768E-4265消氢器化学反应过程仿真方案实验数据与参数估计结果反应器内温度分布消氢器化学反应过程仿真方案实验数据与参数估计结果反应后组分

28、浓度消氢器化学反应过程仿真方案反应动力学参数计算结果ReactionkE (J/mol)10.0012713448820.322.71323E-1420048.231.64888E-0611932249.65364E-0676516.455.95299E-10100000LHHW Inhibition11.427647476.3T_Ref500K消氢器化学反应过程仿真方案吸氢合金固定床除氢过程计算采用实验PCT曲线拟合等温吸附动力学模型消氢器化学反应过程仿真方案吸氢合金固定床除氢过程计算两级吸氢金属床工艺消氢器化学反应过程仿真方案吸氢合金固定床除氢过程计算400min出现氢气穿透氢气催化机理分

29、析浓度分析温度分布计算网格消氢器CFD仿真示例氢气、水蒸气浓度分布考察设计效果厂商给出消氢速率公式的情况下，快速考察设计效果计算模型燃烧器CFD仿真示例燃烧器主0.6m*2m罐内初始为空气纯氢气从下部进入点火源处于中部，固定温度1500K氢气浓度（质量）控制棒与特种电机分析方案与项目案例控制棒电磁与驱动机构分析特种电机电磁特性分析其它项目示例低-中-高频电磁分析综合解决方案MagNetThermNetElecNet磁场温度场电场MotorSolve通用电-磁-热分析模块专业电机设计HOBBIES：高频电磁场计算系统级电磁兼容与隐身特性分析CFD自研接口CRDM运动项目总体情况简介CRDM控制项目总体情况简介项目示例：控制棒电磁与驱动机构分析保持绕组提升绕组动作部件1动作部件2保持绕组提升绕组动作部件1动作部件2项目示例：CRDM控制耦合仿真分析平台工况分析登录界面结果显示项目示例：电机设计与电-磁-热特性分析磁路法初步设计初