核电弹簧式安全阀的多尺度流固耦合建模及其动态不稳定性研究

Dynamic instability of nuclear spring-loaded safety valves (SV) is one of the key issues affecting the safe operation of large pressure systems in nuclear power plant, it has not yet been well analyzed or resolved due to the multidisciplinary and multi-scale effect including fluid force, pressure wave propagation in pipe, spring force and contact friction. To address this issue, a multi-scale fluid-structure interaction model is proposed. It combines three sub-models including 1-D thermodynamics model, 1-D rigid body dynamics model and 3-D CFD model, where the pressure vessel, pipe and valve disc are simplified as a virtual pressure source, virtual line element and virtual mass point, respectively. With the help of this model and physical experiment, the dynamic instability can be investigated from both system and local perspective. The results of this research will reveal the mechanism of the dynamic instability, show the effect of structure parameters and working conditions on the dynamic instability as well as the effect of dynamic instability on the pipe and system. Moreover, it will provide practical solution to eliminate the dynamic instability issue. The results will be of great help to the optimal design of future high-end spring-loaded SVs, and provide a theoretical basis for the long-term safe and stable operation of the nuclear spring-loaded SVs in nuclear power plants.

核电弹簧式安全阀的动态不稳定性问题是影响核电承压系统安全运行的关键问题之一，其涉及到流体冲击、压力波传递、弹簧力、接触摩擦和刚体碰撞等，是一个复杂的多尺度多学科强耦合问题，因而到目前为止都没有得到深入的分析和彻底的解决。针对这个问题，本课题拟基于一维热力学和一维刚体动力学原理，将压力容器、管道和阀瓣分别简化成虚拟压力源点、虚拟线单元和虚拟质点；然后通过与安全阀三维CFD模型耦合，提出和建立一种高效精确的多尺度流固耦合计算分析方法和模型；再结合实验研究，从系统和局部双重角度开展核电弹簧式安全阀的动态不稳定性研究，揭示弹簧式安全阀动态不稳定性的诱发机理，并掌握安全阀结构参数、工作条件和介质等对动态不稳定性的作用规律；研究动态不稳定性对连接管道等的影响关系，最终提出消除动态不稳定性的解决方案。该课题的研究将有助于未来高端安全阀的优化设计，为核电安全阀和承压系统的长时间安全稳定运行提供理论基础。

本项目对动态弹簧式核电安全阀中存在的多尺度流固耦合问题进行研究。.在弹簧式安全阀多尺度流固耦合建模和求解方面：针对安全阀与连接系统的空间多尺度、时间多尺度特征以及流固耦合作用的紧密型和复杂性，基于特征线法和CFD数值仿真方法，建立了高效精确的空间和时间多尺度流固耦合的阀门和连接系统的耦合模型，实现了一维管道热动力学模型及CFD不同子模型间的数据传递、耦合模型的多尺度时间步协调、快速求解以及数据存储;.在弹簧式安全阀动态不稳定性的诱发机理方面：针对弹簧式安全阀在定开口下稳态升力表现出不稳定性等问题，结合多尺度流固耦合模型搭建了用于弹簧式安全阀稳态升力测试的高性能、高精度实验平台，并基于控制单一变量法定性及定量的研究了阀门关键几何参数多阀盘稳态升力的影响，揭示了安全阀动态不稳定性的诱发机理；.在动态不稳定性的消除方法和最优化设计方面：基于仿真及实验的结果，研究了基于小样本采样的代理模型方法，分析不同因素或参数与安全阀动态不稳定性格关联强度，获得安全阀动态不稳定性与不同因素或参数的函数映射关系。选取典型的动态不稳定性特征，基于非线性振动理论，研究连接管道和系统压力对安全阀动态不稳定性的影响规律；采用全局敏感度分析方法，甄别诱发动态不稳定性的主要和次要因素，分析其内在联系，提出消除安全阀动态不稳定性的最优设计方案，提高安全阀的性能和可靠性。为未来高温高压环境下的高端安全阀的设计和安全稳定运行提供理论基础。