基于数值模拟的保温层厚度研究
材料的特性参数进行分析，对比各项性能参数对导热的影响。其次以稳压器保温层为例，利用数值模拟计算的方法分析，并根据计算结果归纳保温层厚度选取方案。数值模拟计算为今后金属保温层在核电站中的应用以及产品的生产验证提供准确可靠的理论计算依据。
关键词：金属保温层；非金属保温层；数值模拟
随着第三代核电站的发展，性能优良的保温材料和良好的保温技术的应用更加广泛，新型的保温材料或新的保温形式在管道和设备保温，至关重要。
在核电站中，利用金属保温层或非金属保温层以减少设备和管道热损失，提高热能利用率，降低环境温度，提高操作人员的安全性。保温层的选取主要是在保温材料的物理、化学性能满足工艺要求的前提下，优先选用导热系数低，密度小价格低廉、施工方便且便于维护的保温材料。适用于管道及设备保温层的材料主要分为金属和非金属。
1非金属保温层材料与金属保温层材料
1.1非金属保温层材料
非金属保温层是指对热流具有明显阻抗性和吸收性的轻质、疏松、多孔的单一或复合材料组成的保温结构。非金属材料广泛应用于建筑，航天工程，石油、化工、热电等领域。
非金属保温层材料的绝热性能主要根据导热系数、工作温度、含湿比率、孔隙率、容重等参数来评定，根据不同的性能参数合理选取保温层材料对提高保温层的经济性和可靠性起到至关重要的作用。
1.2金属保温层材料
金属保温层是由多层不锈钢箔组成的封闭式光亮镜面反射型金属保温块结构。金属保温层由不锈钢外壳和内部的不锈钢箔组成，所用材料均为06Cr19Ni10奥氏体不锈钢。
根据傅里叶定律和斯蒂芬-波尔兹曼定律，可知随温度升高，按温度4次方递增辐射热量，将迅速增加。金属反射材料和其他绝热材料（或抽真空）配合使用，是降低高温辐射的有效途径。
同时，它具有耐高温、耐辐照、抗震、无粉尘、良好的机械性能、使用寿命长、能阻止水滴入内部、对硼酸溶液具有良好的耐腐蚀性、表面易去污和结构易装拆等优点。
与金属保温层材料相比，非金属保温层材料具有较好的经济性，丰富的施工经验，安装简单等条件。但是非金属保温层材料还存在使用寿命短，容易变形，拆卸时容易破碎产生碎片、粉尘，核电厂中还会堵塞安全壳滤网等问题。
在设计保温层的时候，选取厚度要综合考虑材料特性，在保证其性能的同时提高经济性。
2非金属保温层材料与金属保温层材料导热性能分析
本文以稳压器为例进行保温设计，利用数值模拟进行建模，分析计算，最终对保温层所完成的保温效果进行对比以及设计的合理性进行论证。
2.1数值模拟
数值模拟又称计算机模拟，以计算机为手段，通过数值计算和图像显示的方法，达到对工程问题和物理问题等各类问题研究的目的。数值模拟可以用于验证，还可以实现利用导热系数方程进行迭代计算，根据模型正向计算选取保温层合理厚度，并为分析保温层的保温效果提供准确的设计依据。
2.2数值计算模型
本节以稳压器保温层为例，计算恰希玛核电站非金属保温层的厚度和AP1000金属保温层厚度进行模拟计算。
温度场的数值模拟计算过程主要包括以下几个步骤：
2.2.1建立物理及数学模型。首先对所研究的实际问题做出一定简化假设，以确立其物理模型。再定义数学模型必要的假设条件和边界条件。
根据稳压器的外形，在简化稳压器的接口形式，同时不考虑支撑的保温的基础上，分别建立不同厚度的保温层模型。
一般保温层厚度的验证把保温层导热定为一维稳态无内热源的情况计算，本文中计算模型不考虑其内部的结构，建立一个二维的保温层的计算模型，并且仅分析热量沿一个面传播的温度分布。边界条件如下：
2.2.1.1厚度：1.金属保温层=140mm
2.非金属保温层=230mm；
2.2.1.2导热系数方程（W/m·K）：1.金属：λ=0.0408+0.00186 [1]
2.非金属：λ=0.033+0.000063× +0.00000027× [1]
2.2.1.3表面放热系数W/（m2·K）：10.02
2.2.1.4环境温度：26.7℃
2.2.1.5保温层内壁温度：345℃
2.2.2建立网格。
为保证计算的精确性，延保温层径向上每5mm划分一个计算网格，并采取在不规则的模型结构上结合四边形网格和三角形网格以提高计算的精度和时效性。
2.2.3求解控制方程离散后的代数方程组，然后对数值计算的结果从物理过程的角度进行解的分析。
注1：导热系数方程为经验公式，由实验得出相关公式，经由现场测量进一步修正所得。
2.3计算结果
图1金属（左）及非金属（右）保温层计算结果局部示图
计算不同厚度金属保温层和非金属保温层
对比计算结果：
2.3.1稳压器保温层外壁温度基本相同，在27-43℃范围之间。
2.3.2厚度越大保温层内部温度变化越明显，在厚度达到一定大小时，温度保持恒定，此时，热量传递到达一个临界点，不再发生变化，表面热损失保持恒定，所以并不是厚度越大，保温效果越好。
2.4非金属保温层厚度计算
通过上文的计算结果，对于非金属保温层材料，保温能力并不是随厚度的增加而增加，并且外壁温度变化不大，所以根据不同的保温层厚度，建立计算模型，观察计算结果。
按照上文的数值模拟计算过程，将厚度分为几个区间以便于观察和选取。最终计算结果如下：
当厚度（mm）分别为50，60，65，68，70，78，80，81，82，83，84，85时，计算对应的外壁温度（℃）为43，39.82， 38.92，38.34，37.98，37.64，36.37，36.13，35.98，35.86，35.77，35.69。
通过上述结果，可得出，在厚度增加到一定大小之后，温度的递减变得缓慢，并且在厚度达到81mm，每增加1mm温度变化非常小，可以认为81mm为厚度的“极点”，根据结果，对于非金属材料用于稳压器保温设计当厚度为80mm时，温度可以达到37℃，是比较理想和经济的厚度。
3小结
本文通过数值模拟的方法，以稳压器为例，证明恰希玛核电站非保温层的厚度δ=230mm和AP1000金属保温层厚度δ=140mm都可以满足保温要求。但不是最经济合理的保温厚度。最后通过不同厚度设置计算，选取非金属材料用于稳压器保温较为经济合理的稳压器保温层厚度。
本文利用的数值模拟的方法，对稳压器保温层整体进行的论证，但是为简化模型，将保温层作为一个固体进行二维模型计算，虽然已经提高验证和计算的精确度，但是缺乏对每一个保温块内部的分析，得到的数据还有待进一步的计算验证。
最后，数值模拟在计算传热方面有诸多优点，但它并不是分析和获得工程设计所需要的条件全部，数值模拟方法不能代替实验研究方法，也不能代替理论分析方法，确切的说各种研究手段和方法都必须相互配合，相互补充，共同解决各种工程实际问题。
参考文献
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作者简介：刘冰/女/1983年生/硕士研究生/工程师/研究方向为核电工艺布置及设计。
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