高温高压核电闸阀流固热耦合分析

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：T | T流固热耦合是指在由流体

、固体和温度场组成的系统中三者之间的相互作用

，流固热耦合问题是流动、应力、温度三场同时存在时的基本问题。流固热耦合问题不仅仅是在流固耦合问题上附加一个体现温度变化的条件

1 前言

流固热耦合是指在由流体、固体和温度场组成的系统中三者之间的相互作用，流固热耦合问题是流动
、应力、温度三场同时存在时的基本问题。流固热耦合问题不仅仅是在流固耦合问题上附加一个体现温度变化的条件，而是将体现流体流动、固体变形、温度场变化的量如流体压力、固相质点位移
、绝对温度同时视为基本变量，基本变量处于平等地位。在流固热耦合问题中，热效应与流体压力导致固体变形
，固体变形与流体流动导致温度场变化，固体变形与热效应导致流动特性的改变，以上3种效应是同时发生的
。

闸阀主要作为接通或切断管道中的介质用，即全开或全闭使用。在核电站中
，闸阀受到高温高压流体的作用，必然会产生变形及应力
。为了防止全开时闸阀变形或应力超过许用值而造成的结构破坏

，必须对其进行计算。由于闸阀工作时结构的变形很小，对流体流动状态及温度的变化影响也很小，故此处只考虑流体压力及温度对闸阀结构的影响，即单向耦合作用。

2 耦合场分析原理

2.1 流固耦合计算

流固耦合是指固体在介质载荷作用下会产生变形或运动，变形或运动又反过来影响介质
，从而改变介质载荷的分布和大小。

流固耦合的有限元方程为
：

（1）

各系数矩阵由全域各单元相应的系数矩阵按统一的方式叠加而成，即
：



式中 M———质量矩阵
C———阻尼矩阵
K———刚度矩阵
U、P———由全域各节点所组成的列矢量
Ae———质量矩阵
Be———对流矩阵
Ce———压力矩阵
De———损耗矩阵
Ee、Fe———体积力矩阵
Ge———连续矩阵
He———边界速度矢量
δ、δ、δ———加速度、速度、结构应力列向量
2.2 温度场分析原理
温度场是指在指定区域内，各个部分的温度分布情况，它是各个时刻物体中各点温度分布的总称。固体与流体本身产生导热现象，流体与固体之间将产生对流换热现象
，其原理主要是传热学中的传热基本定律
。
（1）热传导微分方程
在笛卡尔坐标系中，对于导热物体中的任意点（x，y
，z），三维非稳态导热微分方程的一般形式为：


（2）
式中 ρ———密度
，kg/m3
cp———比热容，J/（kg·K）
λ———导热系数，W/（m·K）
———单位体积发热率
（2）热对流微分方程
连续性微分方程
：
（3）
运动微分方程：
（4）
能量微分方程：
（5）
3 闸阀三维实体模型的建立
闸阀的三维实体模型要能准确地反映结构的实际情况，同时在保证计算精度的前提下，模型应尽可能简化
。闸阀的承压边界主要包括阀体、阀盖和闸板，从力学特性上分析，可以认为阀体、阀盖和闸板作为一个整体来承受内压
。因此，在建立有限元模型时，将阀体、阀盖和闸板作为一个整体进行建模，忽略它们之间的连接螺栓。简化处理一些不影响闸阀总体性能的特征
，忽略一些不必要的倒角，得到计算模型如图1所示。