温度对核电站传热管阵列声透射特性的影响_吕薇.pdf

第 41 卷第 6 期2022 年 12 月Vol.41,No.6Dec.,2022声学技术Technical Acoustics温度对核电站传热管阵列声透射特性的影响吕 薇1，姜根山1，刘月超2，张 伟1(1.华北电力大学，北京 102206；2.华北电力大学（保定），河北保定 071003)摘要：为了研究温度分布对于管阵列结构中的声透射特性的影响，以核电站的实际工况为背景，构建了不同的温度场以及周期性变化的非均匀温度场，利用有限元方法进行数值模拟。结果表明：(1)温度分布会改变管阵列声透射频谱的“禁带”宽度以及中心频率位置。在同一介质中，温度变化对频率较高位置的影响大于频率较低的位置。(2)在同样为10的温度差下，当水的平均声速为1 653 ms-1、饱和水蒸气的平均声速为522.5 ms-1时，介质为水时的禁带宽度及中心频率位置变化较大，即声速大的介质的频谱对于温度的变化更敏感。(3)当温度差在10以内，在周期性变化的非均匀温度场和与均匀温度场中管阵列声透射特性在第一中心频率23 996.1 Hz之前，两频谱差别很小，在第一禁带之后会出现明显区别。该研究成果对完善核电站应用的声学检测提供了理论基础。关键词：核电站；蒸汽发生器；声子晶体；带隙；温度场中图分类号：O422；O429 文献标志码：A 文章编号：1000-3630(2022)-06-0789-07Influence of temperature on sound transmission characteristics in heat transfer pipe array of nuclear power plantLYU Wei1,JIANG Genshan1,LIU Yuechao2,ZHANG Wei1(1.North China Electric University,Beijing 102206,China;2.North China Electric University，Baoding 071003,Hebei,China)Abstract:In order to study the influence of temperature distribution on the sound transmission characteristics in the pipe array structure,different temperature fields including the periodic non-uniform temperature fields are constructed according to the actual working conditions of nuclear power plant,and the finite element method is used for numerical simulation.The results show that:(1)the temperature distribution changes the width of the gap and the location of the center frequency in the sound transmission spectrum of pipe array,and the effect of temperature change on higher frequency locations is greater than that on lower frequency locations in the same medium;(2)in the condition that the temperature difference of 10 is the same,the average sound velocity of water is 1 653 ms-1 and the average sound velocity of saturated water vapor is 522.5 ms-1,the band gap width and the center frequency location change greatly when the medium is water,that is,the sound transmission spectrum of pipe array in the medium with large sound velocity is more sensitive to the temperature change.(3)When the temperature difference is less than 10,there is little difference between the two spectra before the first central frequency of 23 996.1 Hz in the non-uniform temperature field with periodic variation and in the uniform temperature field,and a significant difference will appear after the first band gap.The research results provide a theoretical basis for the improvement of acoustic detection method in nuclear power plant.Key words:nuclear power plant;steam generator;phononic crystal;band gap;the temperature field0引 言在“十四五”时期，我国将大力发展非化石能源，构建以新能源为主体的新型电力系统，推动碳达峰、碳中和目标的实现。核电站发电作为一种节约资源、保护环境的发电方式有效地解决了高用电量的问题，那么如何保证核电厂安全高效的运行就成为了关键。在压水堆(Pressurized Water Reactor)核电厂中使用的蒸汽发生器是核心结构，而蒸汽发生器传热管因内外表面应力腐蚀、高温疲劳、松动部件磨损以及耗蚀造成的蒸发器传热管破裂事故(Steam Generator Tube Rupture,SGTR)1严重威胁着核电厂的正常有效运作。声学检测法(Acoustic De引用格式：吕薇,姜根山,刘月超,等.温度对核电站传热管阵列声透射特性的影响J.声学技术,2022,41(6):789-795.LYU Wei,JIANG Genshan,LIU Yuechao,et al.Influence of temperature on sound transmission characteristics in heat transfer pipe array of nuclear power plantJ.Technical Acoustics,2022,41(6):789-795.DOI:10.16300/ki.1000-3630.2022.06.001收稿日期:2021-07-29;修回日期:2021-08-29基金项目:国家自然科学基金资助项目(12074118，11674093)、河北省自然基金资助项目(A2019502160)、声场声信息国家重点实验室资助项目(SKLA201808)。作者简介:吕薇(1996)，女，硕士研究生，研究方向为核电站内声传播特性研究。通信作者:姜根山，E-mail:2022 年声学技术tection Method,ADM)2，由于在检测机理上的优势，目前已成为电站锅炉泄漏检测中最具潜力的一种检测手段3。蒸汽发生器内部为周期性管阵列结构，目前对于管阵列中的声传播特性已有大量系统的研究。在20世纪末期，文献4-6中将管排阵列看作是衍射光栅，结合光栅衍射理论及法布里珀罗(Fabry-perot,F-P)效应研究了有限或者无限管排的声传播特性，并将二维模型拓展到三维模型，提出一种斜传播情况。之后有许多研究者将其用于其他领域，例如Carter等7-8将这种管阵列模型引入水中，采用匹配渐近展开法求解了水波通过周期性排列的无穷多结构的频域传播问题。目前国内对于管阵列特性已做了系统的研究，姜根山课题组9-12利用平面波展开法以及时域有限差分法研究了火电厂炉内的传播特性，分别就单、多排管阵列、二维斜入射以及传热管外声流特性等相关方面进行了具体的论述。上述研究的适用环境为火电锅炉或者为常温的水中，且均为均匀温度场。对于核电站高温高压环境的研究还较少，且未涉及到非均匀温度场的声透射特性的数值研究。本文对在不同温度分布下的声透射特性进行研究，分析在不同工况下的频谱禁带宽度、中心频率位置随温度的变化情况，并拟合一个非均匀温度场，研究变化的温度场对声透射率的影响，得到温度分布对蒸汽发生器管阵列中声透射特性的影响规律，为后期声学检测法的完善提供了具体的参考。1声波在管阵列中传播的物理模型1.1管阵列模型蒸汽发生器是一种内部为三维周期性传热管阵列结构的热交换机，有方形排列、错排排列和三角形排列共三种排列方式，其中主要是以方形排列为主。本次研究使用Comsol有限元软件进行二维仿真计算，建立如图1所示的计算模型，设置入射声波区域、传热管阵列区域以及声波接收区域，在管阵列区域建立1010的周期性管排阵列几何模型，选取压水堆蒸汽发生器中的某一经典型号参数，其中管半径r=11 mm与管间距d=32.5 mm，计算区域高9d+4r，宽18d+8r。入射声压设置为Pin=p0.exp-i(k.u)，声压振幅p0=1 Pa，k=/c为波数，u为位置矢量。1.2控制方程可压缩、无热传导、无黏性流体流动问题的动量方程和连续性方程13分别为ut+(u)u=-1p(1)t+(u)=0(2)式中：是总密度，p是总声压，u是速度场。在经典的压力声学中，所有的热力学过程都假定是可逆和绝热的。引入声波作用后，在固定流体中存在小参数变化：p=p0+p1 ,=0+1 ,u=u0+u1 ,p1p010|u1c(3)式中：p1、1、u1表示小的声学变化，将这些插入到控制方程中，并且在小扰动变量中只保留线性项，引入线性声学中的微扰近似p10c2。最后，重新整理方程，将动量散度方程插入连续性方程，得到无损介质中声波的波动方程：(1p)+k2p=0(4)式中：k=/c为波数。1.3边界条件本次研究位于核电站高温高压的环境，压强为6.0 MPa，温度范围是260290。根据物理模型，设置如下的边界条件：(1)入口设置在入射声波区域设置为背景压力场：p=p0e-i(ku)=p0e-ik()uekek(5)式中：p0为波幅值，ek为波向矢量，u为位置矢量。在本次研究中设定p0=1 Pa,声波垂直入射。因涉及核电站三种工况的计算，在压强为6 MPa时，均匀温度场及非均匀温度场的温度设置根据实际而定。(2)硬边界设置定义所有传热管壁为硬边界，加速度的法向分量为0：ptn=0(6)图1 周期性管排阵列模型图Fig.1 Model diagram of periodic pipe array790第 6 期吕薇等：温度对核电站传热管阵列声透射特性的影响(3)出口设置计算域边界均为平面波辐射，对声波接收区域积分得到透射声压p0，可以得到透射系数T=(p0p)2(7)1.4计算结果验证当声波在声子晶体之间传播时，会在晶体之间产生反射与散射。由于不同的声子晶体之间有不同的晶格常数，当晶格常数与某频段满足某种关系时，声波在此声子晶体之间传播时主要以反射为主，无法通过该区域，那么该频段的集合称之为“禁带”，可以通过该区域的频段称之为“导带”14，将透射率低于 1/2 的频带处定义为“禁带”。声子晶体