1、概述

在反應堆的整個運行生命周期中，壓力容器（RPV）內壁的完整性可能會因為輻射或承壓熱沖擊（PTS）而削弱。此處我們僅討論PTS對核反應堆的影響。

當一回路發生破口失水事故（LOCA）時，反應堆安注系統應立即向堆芯注水，防止堆芯裸露，保證燃料元件的充分冷卻。當安注系統啟動，與反應堆壓力容器壁面溫度相差很大的安注冷水瞬間流過高溫容器內壁面時，將導致容器壁溫度梯度劇烈增加即羽流（Plum：當冷的安注水流進RPV下降環腔時，會在熱的RPV內壁面沿著流動方向自上而下產生一條狹長的低溫區）效應，引發容器壁內產生很高的熱應力，有可能導致安注接管與 RPV筒體連接區形成裂紋缺陷，進而引發安全事故。如果同時在系統內存在壓力或較高的剩余壓力時，通常被稱為承壓熱沖擊。

因此，開展事故工況下壓力容器熱應力的準確計算及評估對于確保核電安全運行具有重要意義，是當前需要迫切解決的問題之一。作為核反應堆工程設計人員，首先需要深度剖析安注水如何影響熱應力發展，然后應考慮如何能減小PTS的影響。找到一款合適的數值模擬工具，無疑可以為工程設計人員提供可靠的研究手段，而Simcenter STAR-CCM+無疑就是一款適合的軟件。

2、應用STAR-CCM+進行PTS仿真建模

下圖為本文研究的對象，主要研究失水事故時，安注系統注入的冷卻水與冷卻劑管道的高溫冷卻劑混合，形成熱分層進而造成很高的熱應力。

圖1 壓力容器模型及邊界

STAR-CCM+可以在單個工作界面集成整個仿真流程，是一款真正的幾何處理、網格劃分、求解器、后處理完全一體化環境的軟件，所以在做幾何多參計算，部件替換流場計算方面，高度自動化，大大提高多參流場計算效率。同時STAR-CCM+還是一個集成的多物理場仿真平臺，可以有效解決流動傳熱、有限元應力、流固耦合、多相流、電化學、氣動聲學等多物理問題耦合的場景。對于PTS問題，涉及到的物理現象包括流動傳熱、熱應力計算，STAR-CCM+內置有與之相對應的物理模型與求解器，可以高效便捷地解決該類問題。下圖所示為壓力容器承壓熱沖擊的建模流程，所有建模、求解、后處理，甚至包括設計探索過程都在一個界面之中完成。

圖2 一體化集成環境

3、應用STAR-CCM+洞察詳細工程信息

STAR-CCM+的另一強大功能是能夠輕松提取工程人員關注的詳細信息。其內置大量經過驗證的物理模型，允許對多物理場問題進行精確模擬。STAR-CCM+的高級渲染能力可以提供更加逼真的工程圖像，從而提高對結果的理解，這在向各種團體分享結果時尤其有用。

以下視頻展示了安注系統開始注入水以后，壓力容器的溫度和熱應力變化過程。冷卻水注入后，迅速與高溫的冷卻劑混合，并迅速流入壓力容器，但是整個壓力容器的溫度分布在很長一段時間都未達到均衡。同時可以看到，冷流體在冷卻壓力容器的壁面過程中，壁面形成了很大的溫度梯度，最終將低溫逐步擴散到內部壁面。熱應力

圖3 流體溫度、容器溫度、容器應力變化

對安注系統進口附近的壓力容器壁面進行觀察發現，即使注水一段時間以后，該區域的溫度梯度還是比較大，必然會導致該區域一直存在較高的熱應力。

圖4 安注進口附近壁面溫度分布

圖5 熱應力分布

4、應用STAR-CCM+優化安注管進口設計

對當前設計的性能評估很重要，但探索設計空間的能力更有價值。使用STAR-CCM+中的自動化設計探索工具，我們能夠對包含大量設計參數的安注管設計進行優化。自動尋優通常會獲得效果更好但不直觀的設計，當只采用DOE研究幾個參數時，可能會錯過更好的設計。另外，有一些方法可以有效地管理大量數據，這樣工程人員不僅可以找到更好的設計，還可以理解更好設計的特征。 

為了改善注水過程中呈現出來的高溫度梯度、高應力，工程師希望通過一些設計來改善冷熱流體的混合均勻程度，以盡可能減小熱沖擊的不利影響。本研究中，主要期望通過改變注管進口位置來進行混合均勻性優化，優化變量包括：周向位置、注射角度、距離等。

圖6 設計變量

以下視頻展示了優化設計的迭代過程。圖中左邊的每個點代表STAR-CCM+運行的不同設計模擬結果，即混合流體到達壓力容器壁面的最低溫度，連線則追蹤了當前的最佳設計。在運行了50種設計后，可以看到，最佳的設計是設計44，最高溫度降低了4.5%，即獲得了更好的混合均勻度。

圖7 設計空間探索過程

STAR-CCM+優化模塊提供平行坐標圖，圖上的每條線表示單個模擬的參數選擇，這讓工程人員能夠深入了解“最佳”設計所選擇的確切參數。通過考慮5個或10個最佳設計，工程師可以看到這些設計的共同特征。對于本案例，為了改善設計性能，我們需要一個90度的圓周角，但在噴射角度和距離的選擇上，有較大的靈活性。

圖8 平行坐標圖

5、小結

以上我們簡單描述了Simcenter STAR-CCM+在壓力容器仿真方面的應用。事實上，Simcenter STAR-CCM+在核電領域的應用遠不止此。憑借其強大的網格劃分能力、一體化的多物理場、高效的并行求解、設計空間探索等多功能，Simcenter STAR-CCM+在核反應堆的設計中發揮了越來越大的作用。

圖9  STAR-CCM+在核電領域的部分應用場景

本文來自：STAR CCM Online