亚-跨声速下核电主蒸汽安全阀内泄漏致声机理及声学检测方法研究

Internal leakage is familiar failure mode for inservice main steam safety valves (MSSV) in nuclear power plant. In complex environment, the early internal leakage may be quickly extended and leaded safety valve to jump by mistake. Hence, nuclear reactor will shut down quickly. Large potential danger exists in nuclear power plant. Based on the safety reliability of inservice MSSVs, we research the basic scientific questions of acoustic mechanism of internal leakage and acoustic detection. The main research as: (1)We investigate the steam flow rate correlation with time under subsonic-transonic. It provides an insight to the Lattice-Boltzmann subgrid turbulence model correlation with energy dissipation rate and vorticity gradient. The law of macro-mesoscopic of acoustic mechanism will scientific descript for internal leakage. (2) Nonlinear coupling mechanism of steam flow and acoustic field will discussed. The multipole acoustic source superposition principle will be researched. The model of inhomogeneous wave acoustic field will found correlation with valve cavity shape and channel structure. (3)We design ultrasonic auxiliary resonant chamber to enhance sound intensity and frequency for acoustic source of internal leakage. An ASER(acoustic spectrum energy ratio) is proposed for leakage. Acoustic detection method will establish for internal leakage. This project could provide scientific support for leakage detection for inservice MSSV. In addition, the findings are also helpful to develop safety assessment for other valves.

内泄漏是在役核电主蒸汽安全阀的常见失效模式，早期内泄漏在复杂环境下会迅速扩展并导致安全阀误起跳而造成停堆，对核电站安全有很大潜在危害。面向在役核电主蒸汽安全阀长周期可靠运行的需求，针对其内泄漏致声机理及声学检测中的关键科学问题展开研究。主要内容包括：（1）考察亚-跨声速下亚临界流动蒸汽流场速率-时间历程关联式，揭示LB亚格子尺度湍流模型、能量耗散率与阀腔声场区涡量梯度的关联机制，形成内泄漏发声机理宏-介观规律的科学描述。（2）探讨非线性流动与声场的耦合机理，研究内泄漏喷流多极子声源叠加原理，形成虑及阀腔形状、流道结构的非齐次波动声场模型。（3）研究超声波辅助音腔对内泄漏声源声强、频率的强化机理；探讨声波频谱能量比ASER与泄漏量间的关联模型，建立内泄漏声学检测方法。本项目的开展将为在役核电主蒸汽安全阀内泄漏诊断提供科学支持，同时为推动其它行业关键阀门安全评定发展提供帮助。

内泄漏是在役核电主蒸汽安全阀长时间运行后的常见失效模式，早期内泄漏在复杂环境下会迅速扩展并导致安全阀误起跳而造成停堆，对核电站安全构成较大的潜在危害。因此，面向在役核电主蒸汽安全阀长周期可靠运行的需求，以亚-跨声速下核电主蒸汽安全阀内泄漏致声机理与声学检测为突破口，并结合亚临界流体力学、气动喷流声场非齐次波动模型、内泄漏声场敏感表征物理量特征提取技术，是一个多学科交叉的复杂问题。. 本课题围绕亚-跨声速下核电主蒸汽安全阀内泄漏致声机理及声学检测展开研究，主要研究内容及重要结果如下：.（1）亚-跨声速下安全阀内泄漏喷流场湍流模型和致声机理：本课题以核电华龙一号主蒸汽安全阀为研究对象，采用LES/Möhring声类比方法模拟研究了安全阀内泄漏致声机理，用LB亚格子模型计算非定常状态喷流瞬态流场的小尺度涡的耗散能量、阀腔壁面附近及尾流场区的涡量梯度，形成内泄漏声源计算的一般方法。模拟结果表明当压力为6MPa时，距喷口1m处总声压级为127.4dB，与理论计算结果基本一致。.（2）研究内泄漏过程非线性流动与声场的耦合机理，研究结果表明偶极子主要来自于湍流流场中的压力脉动，与壁面相互作用形成表面声源；四极子主要来自于湍流流场中的速度脉动，在泄漏孔下游射流形成体声源。基于声学有限元（FEM）和声学边界元（BEM）模拟，远场指向性符合声源的基本特性。.（3）研究了安全阀内泄漏声源声强特性，对湍流流场中脉动压力进行平均周期图方法处理，比较不同泄漏高度以及不同监测点的自功率谱密度和互功率谱密度，结果表明安全阀内泄漏噪声主要发生在1200Hz、1900Hz、2500Hz和2800Hz等中低频段。. 本课题的研究结果表明：安全阀内泄漏是高度欠膨胀超音速受限射流过程，并伴随着高压阻塞喷注噪声和涡流噪声，表现出宽频特性，可以设计具有锁频发声结构对其进行内泄漏声学检测。本项目的开展将为在役核电主蒸汽安全阀内泄漏诊断提供科学支持，具有较大的理论意义和工程实用价值，将产生一定的经济效益和社会效益。