关于反应堆冷却剂泵在轴卡住事故中瞬态压力波的流固耦合特性研究

《Nuclear Engineering and Design》：Research on fluid-structure interaction characteristics of transient pressure waves in reactor coolant pump under shaft seizure accident

本研究通过双向流体-结构耦合数值模拟，分析HPR1000核电站单回路系统中反应堆冷却泵（RCP）轴封塞事故（SSA）中瞬态压力波与冷却管道的相互作用特性。重点考察轴封塞过程中RCP流场压力分布、内部压力波动及管道动态响应规律，揭示冷却管道变形对瞬态压力波传播的影响机制。研究结果表明轴封塞事故下冷却管道流体-结构耦合效应显著改变流场压力分布，并导致不同时段压力波动特征差异。该成果为核电站RCP安全运行评估提供了理论依据。

　　

牛腾|李一斌|袁海龙|赵雪|刘孔生

兰州理工大学能源与动力工程学院，中国甘肃省兰州市七里河区彭家坪路36号，邮编730050

摘要

本研究通过双向流固耦合（FSI）数值模拟，探讨了反应堆冷却剂泵（RCP）轴卡住事故（SSA）期间瞬态压力波的流固耦合特性。基于具有匹配阻力特性的HPR1000反应堆单环系统模型，分析重点关注RCP流场压力、内部压力波动以及管道动态响应。研究结果表明，冷却剂管道的流固耦合显著改变了RCP流道中的压力分布。在轴卡住过程中，CPFSI导致叶轮入口处的低压区显著扩大，蜗壳压力增加。轴卡住发生后，入口喷嘴处压力迅速下降，导叶流道内的低压区域明显扩大，蜗壳出口处的低压区也略有扩大。轴卡住结束后，入口喷嘴、叶轮入口、蜗壳环形腔及蜗壳出口处的压力均大幅降低，同时叶轮入口和IPS处的低压区显著扩大，GPS入口处的高压区收缩。在整个轴卡住过渡过程中，过渡管道的变形和波动最为明显，其次是热腿管道，冷腿管道的变化最小。这些结构振动加剧了RCP监测点的压力波动，导致瞬态压力波振幅的衰减或放大。本研究揭示了SSA期间瞬态压力波与管道动力学之间的耦合机制，为准确评估RCP运行安全性提供了理论基础。

引言

HPR1000是中国自主研发的第三代先进压水反应堆（Xing等人，2016年）。如图1所示，反应堆冷却系统由三个相互连接的循环系统组成。作为反应堆冷却系统中唯一的旋转设备，RCP对整个核反应堆的安全运行至关重要。当RCP发生功率故障或SSA时，会在反应堆系统内产生强烈的压力波，从而影响核电站（NPP）的安全运行（Ye等人，2020年）。因此，为了确保核电站的安全运行，有必要深入研究RCP SSA下的瞬态压力波波动特性。

全球范围内已对RCP转子卡住现象进行了大量研究。大多数学者主要关注转子卡住事故下RCP的外部特性和内部流场变化（Tang等人，2020年；Azzoune等人，2018年；Xia等人，2025年；Ye等人，2022年；Pan等人，2024a年）。Li等人（2022年）基于反应堆单环闭合系统研究了SSA期间RCP和管道系统的流体动力学特性。Qu等人（2023年）利用熵生成分析方法，基于反应堆三环闭合系统分析了轴卡住过程中的能量损耗。Pan等人（2024b年）研究了冷却剂管道中的压力波动，以及RCP SSA期间蒸汽发生器管道弯头和传热管上的力载荷变化。Zhang等人（2023年）通过数值模拟研究了钠冷池式实验快堆（SPXFR）在单环RCP轴卡住条件下的热工水力参数变化，为实验快堆的安全设计评估提供了重要参考。然而，大多数研究仅针对独立的泵模型，而对整个反应堆冷却系统中的RCP运行研究较少。

当RCP在非均匀流入或不稳定条件（如SSA）下运行时，其流道内的压力波动会加剧或突然变化，对RCP本身和核电站的稳定性构成严重威胁。Zheng等人（2025年）利用小波变换分析了非均匀流入条件下RCP的压力脉动特性。Li等人（2020年）研究了叶轮通道内的流场特性以及冷却剂管道引起的非均匀流入条件下的流体动力载荷变化。Liu等人（2025年）实验测量了RCP回路系统中的压力脉动，并通过数值模拟对流场进行了深入分析。Tao等人（2018年）研究了叶轮偏心对RCP中力和压力脉动的影响。Ni等人（2018年、2020年）利用大涡模拟（LES）和激光多普勒测速（LDV）技术研究了稳态压力和速度脉动。Ji等人（2021年）采用CFD方法研究了旋转失速条件下叶轮叶片厚度对叶轮通道内压力脉动的影响，并结合熵生成分析研究了失速条件下的能量损失。Ji等人（2025年）利用PIV实验研究了不同流动条件下泵转子-定子相互作用区域的速度波动。Qu等人（2022年）基于反应堆单环闭合系统，利用数值模拟和小波变换研究了轴卡住条件下的RCP流场压力波动特性。然而，对于RCP SSA条件下的瞬态压力波波动研究尚有限。

RCP在高温、高压和瞬态条件下持续运行，使其关键流道部件（如叶轮）面临潜在的疲劳失效风险。Fu等人（2022年）采用流固耦合方法分析了RCP叶轮的应力疲劳，确定了其预期使用寿命。Xiang等人（2025年）研究了三种材料制成的铅铋轴流式RCP叶轮的流固耦合特性，重点关注不同流动条件下的结构响应以及泵性能和流场变化。Wang等人（2019年）利用流固耦合方法分析了轴卡住过程中RCP叶轮的应力分布，确定叶轮为应力集中区域。Lu等人（2021年）研究了不同轴卡住程度下RCP叶轮的应力分布，为RCP的安全运行提供了理论参考。在RCP SSA期间，强烈的压力波会在冷却剂管道中引发显著的动态响应，对整个冷却系统构成重大安全风险。同时，研究表明，充满液体的管道中的流固耦合显著影响管道系统内的流场变量（如速度和压力）（Cherian等人，2021年；Guo等人，2025年）。然而，关于SSA条件下冷却剂管道中流固耦合的研究仍然有限。

总之，现有研究广泛探讨了RCP SSA期间的流体动力学特性，但对集成反应堆系统内的压力波动关注不足。此外，SSA期间瞬态压力波与冷却剂管道之间的流固耦合也缺乏足够研究。因此，本研究基于HPR1000反应堆单环系统，通过数值模拟探讨了RCP中瞬态压力波的耦合特性以及冷却剂管道的动态响应特性，为RCP SSA期间的安全分析提供了理论基础。

计算模型和参数

图2(a)展示了RCP的三维流体域模型，主要包括入口喷嘴、叶轮、导叶和蜗壳。所研究的RCP是一种混合流泵，其额定参数详细列于表1中。本研究关注的流体域是闭合的反应堆单环系统，如图2(b)所示。该系统包括RCP、过渡管道、冷腿管道、热腿管道以及其他反应堆系统组件。

数值方法验证

图9展示了闭合实验测试系统的示意图，主要包括控制系统、RCP、水箱、速度传感器、流量控制阀和数据采集设备。流量通过流量控制阀进行调节。压力传感器测量RCP的入口和出口压力，以确定泵的扬程。此外，在不同流量运行条件下计算RCP模型的扬程和效率，并与实验结果进行比较。

数值结果与分析

为了研究轴卡住过渡过程中RCP中压力波的流固耦合特性，进行了对比分析，以检查RCP流场内的绝对压力、监测点压力和压力波动的动态变化。这些分析在流固耦合（FSI）和非流固耦合（non-FSI）条件下进行。具体选择了五个关键时间点来研究RCP流场中绝对压力等值的分布：

结论

基于HPR1000单环系统，本研究开发了一个双向流固耦合数值模型，用于分析RCP SSA条件下冷却剂管道的动态响应行为及其对瞬态压力波的影响。研究内容包括RCP流场中的压力分布、波传播和波动，以及管道的变形特性。主要研究结果总结如下：

(1)

在RCP轴卡住过程中，CPFSI显著

作者贡献声明

牛腾：撰写——原始稿件、方法论、研究。李一斌：方法论、研究、资金获取。袁海龙：验证、软件。赵雪：验证、软件。刘孔生：验证、软件。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了重庆市技术创新与应用发展重点项目（CSTB2024TIAD-STX0017）的支持。