核岛结构PCS水箱FSI效应简化方法研究

第38卷第2期振动与冲击JOURNAL OF VIBRATION AND SHOCK Vol.38 No.2 2019核岛结构P C S水箱FSI效应简化方法研究李小军:，2,宋辰宁3，周国良4，魏超4(1.北京工业大学建筑工程学院，北京100124;2.中国地震局地球物理研究所，北京100081;3.山东建筑大学土木工程学院，济南250101;4.环境保护部核与辐射安全中心，北京100082)摘要：高置冷却水箱是核电厂非能动安全壳冷却系统（P C S)的重要组成部分，在进行动力分析时，必须考虑冷 却水与屏蔽厂房之间的流固耦合(F S I)效应。

由于F S I效应问题复杂，数值分析耗时较长，因此，在研究核岛结构动力分析时，有必要采用简化方法，在满足计算精度要求的前提下，提高计算效率。

基于H〇u s ne r模型，提出一种考虑液体-水箱相互作用的简化模型。

采用A D IN A软件分别进行水箱F S I模型和简化模型的核岛结构三向地震反应分析，分析了 FSI模型和简化模型结构反应的峰值加速度、楼层反应谱和有效应力相对误差。

结果表明：提出的水箱简化模型可用于高置冷却水箱核岛结构三向地震反应分析，能够很好地模拟F S I效应。

关键词：核岛结构;流固耦合(F S I);简化方法;地震反应中图分类号：T L8文献标志码：A DOI ： 10. 13465/j. cnki. jvs. 2019.02.002Simplified methodfor simulating the FSI effect of PCSwater tankina nuclear island buildingLI Xiaojun1,2,SONG Chenning3,ZHOU G uoliang4,WEI C hao4(1. College of Architecture and Civil Engineering，Beijing University o f Technology，Beijing 100124，2. Institute of Geophysics，China Earthquake Administration，Beijing 100081，China;3. School of Civil Engineering，Shandong Jianzhu University，Ji ’ nan 250101，China;4. Nuclear and Radiation Safety Center，Ministry of Environmental Protection，Beijing 100082，China)Abstract:H igh coolin g water tank is an important com ponent o f tlie p a s i v e containm ent coolin g system(P C S)ina nuclear islandb u ild in g，and the fluid-structure interaction (F S I)betw een coolin g water and shie considered in dynam ic analysis. T h e FSI effect is com p lex and it w ill take a long com putingsim plified m ethod n eed s to be explored to im prove the calculation efficien cy under the com puting accuracy. B ased on the H ousner m o d e l，a sim plified liq u id-tan k interaction m od b e used in the dynam ic analysis o f P C S water tank. T h ree-d im en sion a l seism ic resjDonse analyses on the FSI m odel and sim plified m o del were done for som e n uclear island bu ild in g by using A D I N A software. T h e peak a c ce le ratio n s，acceleration spectra o f floor responses and effective stresses by the FSI m odel and sim p relative errors were analyzed. T h e results show that the proposed sim plified liq u id-tan k interaction m odel is suitable for the dynam ic analysis o f n u clear island buildings with high coolin g water tank under th ree-d im en sion al earthquake a c tio n s，and good results o f tlie sim ulation o f FSI effect can be ach ieved.Key w ords ：n uclear island b u ild in g；fluid-structure interaction(F S I);sim plified m e th o d;seism ic responseA P1000是美国西屋公司设计研发的第三代先进 压水堆核电厂，如图1所示，核岛结构主要由屏蔽厂 房，辅助厂房和钢安全壳组成。

屏蔽厂房顶部的冷却 水箱是非能动安全壳冷却系统（P assive Containm ent基金项目：国家自然科学基金（51738001; 51421005);国家科技重大专 项（2013ZX06002001 -9)收稿日期：2017 -09 -12修改稿收到日期：2017-11-07第一作者李小军男，博士，博士生导师,1965年生通信作者宋辰宁男，博士，讲师，1988年生C ooling S y ste m，P C S)的重要组成部分，液体和屏蔽厂 房之间的流固耦合（F luid-Structure In teraction，F S I)效应会对结构的动力特性和地震反应造成影响。

由于F S I效应的复杂性，常用有限元软件（A B A Q U S，A N-S Y S，A D I N A等）在求解该问题时，通常需要花费较长 时间。

因此，在对核岛结构进行动力分析（地震、爆炸、撞击等）时，有必要对液体晃动进行一定的简化，在满 足计算要求的前提下，提高计算效率。

以地震反应分析为例，针对储液结构的经典理论，第2期李小军等：核岛结构PCS水箱FSI效应简化方法研究7最早是H o u s n e O-2]针对规则储液罐，基于液体无旋、无黏、不可压 性 、性 提出的 ，法。

核心理论是将液体动力效应 两部分，一'部分是脉冲压力，另一'部分是 压力，親合求 程得到简化。

在此基础上，H a o m)3_4]4柔性结构，考虑液罐变形的，提 Haroun-Housner模型，进一步将液体脉冲压力 柔性脉冲分量和刚性脉冲 ，该简化 更适用于工程结构，被相关抗震 范和标准 用。

Housner模型和Haroun-Housner模型是针对规则 储液结构地震 的两种常用的简化方法，不则形状储液结构的简化研究，大多集中在环形水箱[5]和纯锥形水箱[6]，核岛结 的P C S水箱 部锥形的环形 结构，对于该特殊的储液结关的简化 法。

本文基 简化方法，P C S水箱，提一种适用于核岛结向地震反应分析的简化 ，并与FSII结 ，简化 的合 性。

图1AP1000核电厂示意图Fig.1Diagram o f AP1000 nucle ar power p l a n tl理论分析考虑核岛主体结构和p c s水箱的几何尺寸和结构 特性，性液结构，满足H o u s e r模型的基本适用条件。

因此，本文基于Housner模型的基本假 定，展简化 研究，以提出工程的P C S水箱液固耦合作用的简化 。

l.l H ousner 模型1957年，H o u s e r基于如下假定提出简化模型:①储 液结 贝I J'②底部为平底'③适用于水平地震作用;④刚性结构。

其核心思想是 性储液结 液 动效为“-”模型，2示。

图2 :c。

为脉冲质量；C为一阶对流质量；c为n阶对流质量；E为 一阶等效 ;E为n效 ；（0脉冲质量局度；（1一'局度；（n n高度。

脉冲 在结 ，随结作同步运动，对与箱壁相连，等效液体晃动效应。

在具 和应用时，首先要确定脉冲 和对的关系以 心 的高度，然后通过计算得到液体的晃动特性以及液体晃动产生的 基 力和 液结 箱 的。

该 简用，学者采用。

l. A简化模型一般的储液结构（如L N G储罐、石油储罐等）底部 为平底，在用Housner| 简化 基于基本，通 虑水平地震作用。

核岛P C S水箱 ：部锥形的环形 结构，且关规范要求必须进向地震反应 ，而Housner r虑液体向振动。

考虑P C S水箱的特殊结构形式和需要进行三向地 震反应 要求，本文参考Housner模型的 法，分两步推导建立P C S水箱简化 ：① 脉冲 ：和 的比例关系、心 的高度;②计算液体的晃动频率，根据动频率和.比确 连 和箱 的参 。

基 HousneO以:液 高 压力小于一 压力。

因此，为了简化 ，本文 中虑液体的一 动，即P C S水箱中液体的 ：量分为脉冲质量和一 。

设P C S水箱液体体积为P液体总质量为C，液面设计高度为（，内半径为 ?，外半 ？，参 研究成果[7-8]，非则环形水箱等效成 形水箱，等效半径？、一C、一阶对流质量高度（1计算公式为?]槡V/($.318 ^tanh(1.84 4)h,1cosh(1-84 ]k) -1h 1.84 -(sinh(1.84 -()针对环形圆柱水箱，Meserole等给出了晃动力学模 的参数表 ，考虑到P C S水箱 部锥形的非规则环形结构，本文首先 效为平底环形结构。

如图3所示，基本思路是保证V，？和？。

不变，将P C S水 箱等效成环形 水箱，效液面高度（^，求动频 ，公(1$(2$(3$8振动与冲击2019年第38卷$ ]槡(*/?)%tanh E&二？/?⑷⑶E ] (ha/R06%(6)式中：$为晃动频率；* 力加速度；％为方程$1(%)R(A%) -$i(A%)R(%) ]0 的第.欠根；R分别第一类和第一 ;$1，Y[分别为$，R的一阶导数。