压水堆蒸汽发生器传热管流热固耦合研究
摘要
压水堆核电厂运行经验表明，蒸汽发生器是核动力装置中故障率较高的设
备之一，其中，蒸汽发生器的传热管上出现的事故概率最大。其流致振动问题
对蒸汽发生器的结构完整性和安全性有重要影响。所以针对蒸汽发生器传热管
的流场特性和流致振动研究具有重大意义。
本文针对压水堆蒸汽发生器传热管的一二次侧的流场特性、流致振动响应
进行了分析研究。首先，建立了综合考虑一次侧对流传热、固体导热、二次侧
壁面沸腾传热过程的蒸汽发生器U型传热单管和3×3管束的三维模型，对项目
给定的最佳估算流量寿期初工况下自然循环蒸汽发生器传热管进行了考虑二次
侧流场壁面沸腾相变的稳态流热固耦合模拟，研究了一、二次侧流场内的流体
压力、温度和二次侧汽相含汽率的分布规律。并对传热管进行了结构的计算，
得到传热管稳态流场下热应力和变形的分布规律。还对比了不带支撑板的计算
模型，结果表明，支撑板固定作用对蒸汽发生器传热管变形和热应力的影响较
大，后续计算需要考虑。
然后在稳态计算的基础上，对项目给定的最佳估算流量寿期初工况下的自
然循环蒸汽发生器传热管进行瞬态双向流热固耦合计算，研究了一、二次侧流
场内的流体速度、温度和二次侧汽相含汽率的随时间的变化规律。通过对比不
同二次侧流速下的流场参数，得到二次侧流速对瞬态流场的影响规律。并进行
了传热管结构的相关计算，得到传热管瞬态流场下热应力和变形的分布规律。
另外还对比分析了耦合计算中温度场对传热管结构的影响。结果表明，温度场
对双向耦合计算中传热管变形和应力影响较大，不能忽略。
最后，针对蒸汽发生器U型传热管瞬态双向流热固耦合模拟结果进行流致
振动响应分析，得到传热管的流致振动响应规律。并对比分析了二次侧流速不
同的情况下传热管的振动响应，结果表明，蒸汽发生器传热管的流致振动响应
中传热管的位移和振幅会随着流场流速的增大而增大。
关键词：蒸汽发生器；壁面沸腾；流热固耦合；流致振动
压水堆蒸汽发生器传热管流热固耦合研究
ABSTRACT
Operatingexperienceinpressurizedwaterreactornuclearpowerplantshas
shownthatsteamgeneratorsareoneofthenuclearpowerplantswithahighfailure
rate,withthemostaccidentsoccurringontheheattransfertubesofthesteam
generators.Theproblemoffluidicvibrationoftheheattransfertubehasanimportant
impactonthestructuralintegrityandsafetyofthesteamgenerator.Therefore,itisof
greatsignificancetostudytheflowfieldcharacteristicsandrheologicalvibrationof
heattransfertubesofsteamgenerators.
Inthispaper,theflowfieldcharacteristicsandfluidicvibrationresponseofthe
primaryandsecondarysidesoftheheattransfertubeofapressurizedwaterreactor
steamgeneratorareanalyzedandstudied.First,athree-dimensionalmodelofasingle
U-shapedheattransfertubeanda3×3tubebundleofthesteam