1、概述

在反应堆的整个运行生命周期中，压力容器（RPV）内壁的完整性可能会因为辐射或承压热冲击（PTS）而削弱。此处我们仅讨论PTS对核反应堆的影响。

当一回路发生破口失水事故（LOCA）时，反应堆安注系统应立即向堆芯注水，防止堆芯裸露，保证燃料元件的充分冷却。当安注系统启动，与反应堆压力容器壁面温度相差很大的安注冷水瞬间流过高温容器内壁面时，将导致容器壁温度梯度剧烈增加即羽流（Plum：当冷的安注水流进RPV下降环腔时，会在热的RPV内壁面沿着流动方向自上而下产生一条狭长的低温区）效应，引发容器壁内产生很高的热应力，有可能导致安注接管与 RPV筒体连接区形成裂纹缺陷，进而引发安全事故。如果同时在系统内存在压力或较高的剩余压力时，通常被称为承压热冲击。

因此，开展事故工况下压力容器热应力的准确计算及评估对于确保核电安全运行具有重要意义，是当前需要迫切解决的问题之一。作为核反应堆工程设计人员，首先需要深度剖析安注水如何影响热应力发展，然后应考虑如何能减小PTS的影响。找到一款合适的数值模拟工具，无疑可以为工程设计人员提供可靠的研究手段，而Simcenter STAR-CCM+无疑就是一款适合的软件。

2、应用STAR-CCM+进行PTS仿真建模

下图为本文研究的对象，主要研究失水事故时，安注系统注入的冷却水与冷却剂管道的高温冷却剂混合，形成热分层进而造成很高的热应力。

图1 压力容器模型及边界

STAR-CCM+可以在单个工作界面集成整个仿真流程，是一款真正的几何处理、网格划分、求解器、后处理完全一体化环境的软件，所以在做几何多参计算，部件替换流场计算方面，高度自动化，大大提高多参流场计算效率。同时STAR-CCM+还是一个集成的多物理场仿真平台，可以有效解决流动传热、有限元应力、流固耦合、多相流、电化学、气动声学等多物理问题耦合的场景。对于PTS问题，涉及到的物理现象包括流动传热、热应力计算，STAR-CCM+内置有与之相对应的物理模型与求解器，可以高效便捷地解决该类问题。下图所示为压力容器承压热冲击的建模流程，所有建模、求解、后处理，甚至包括设计探索过程都在一个界面之中完成。

图2 一体化集成环境

3、应用STAR-CCM+洞察详细工程信息

STAR-CCM+的另一强大功能是能够轻松提取工程人员关注的详细信息。其内置大量经过验证的物理模型，允许对多物理场问题进行精确模拟。STAR-CCM+的高级渲染能力可以提供更加逼真的工程图像，从而提高对结果的理解，这在向各种团体分享结果时尤其有用。

以下视频展示了安注系统开始注入水以后，压力容器的温度和热应力变化过程。冷却水注入后，迅速与高温的冷却剂混合，并迅速流入压力容器，但是整个压力容器的温度分布在很长一段时间都未达到均衡。同时可以看到，冷流体在冷却压力容器的壁面过程中，壁面形成了很大的温度梯度，最终将低温逐步扩散到内部壁面。热应力

图3 流体温度、容器温度、容器应力变化

对安注系统进口附近的压力容器壁面进行观察发现，即使注水一段时间以后，该区域的温度梯度还是比较大，必然会导致该区域一直存在较高的热应力。

图4 安注进口附近壁面温度分布

图5 热应力分布

4、应用STAR-CCM+优化安注管进口设计

对当前设计的性能评估很重要，但探索设计空间的能力更有价值。使用STAR-CCM+中的自动化设计探索工具，我们能够对包含大量设计参数的安注管设计进行优化。自动寻优通常会获得效果更好但不直观的设计，当只采用DOE研究几个参数时，可能会错过更好的设计。另外，有一些方法可以有效地管理大量数据，这样工程人员不仅可以找到更好的设计，还可以理解更好设计的特征。 

为了改善注水过程中呈现出来的高温度梯度、高应力，工程师希望通过一些设计来改善冷热流体的混合均匀程度，以尽可能减小热冲击的不利影响。本研究中，主要期望通过改变注管进口位置来进行混合均匀性优化，优化变量包括：周向位置、注射角度、距离等。

图6 设计变量

以下视频展示了优化设计的迭代过程。图中左边的每个点代表STAR-CCM+运行的不同设计模拟结果，即混合流体到达压力容器壁面的最低温度，连线则追踪了当前的最佳设计。在运行了50种设计后，可以看到，最佳的设计是设计44，最高温度降低了4.5%，即获得了更好的混合均匀度。

图7 设计空间探索过程

STAR-CCM+优化模块提供平行坐标图，图上的每条线表示单个模拟的参数选择，这让工程人员能够深入了解“最佳”设计所选择的确切参数。通过考虑5个或10个最佳设计，工程师可以看到这些设计的共同特征。对于本案例，为了改善设计性能，我们需要一个90度的圆周角，但在喷射角度和距离的选择上，有较大的灵活性。

图8 平行坐标图

5、小结

以上我们简单描述了Simcenter STAR-CCM+在压力容器仿真方面的应用。事实上，Simcenter STAR-CCM+在核电领域的应用远不止此。凭借其强大的网格划分能力、一体化的多物理场、高效的并行求解、设计空间探索等多功能，Simcenter STAR-CCM+在核反应堆的设计中发挥了越来越大的作用。

图9  STAR-CCM+在核电领域的部分应用场景

本文来自：STAR CCM Online