翟歡樂，余于仿，周 青，何張陳

（中國能建集團(tuán)裝備有限公司南京技術(shù)中心，江蘇南京 210015）

IRWST濾網(wǎng)漩渦分析技術(shù)

翟歡樂，余于仿，周 青，何張陳

（中國能建集團(tuán)裝備有限公司南京技術(shù)中心，江蘇南京 210015）

選擇AP1000核電廠的IRWST濾網(wǎng)為研究對(duì)象，給出了臨界淹沒水深計(jì)算、瞬態(tài)仿真模擬和穩(wěn)態(tài)仿真模擬三種漩渦研究方法，并得出IRWST濾網(wǎng)不會(huì)引起漩渦現(xiàn)象的結(jié)論。三種方法原理不同，可相互驗(yàn)證，用于研究濾網(wǎng)類產(chǎn)品的漩渦特性。

IRWST濾網(wǎng)；漩渦分析；瞬態(tài)仿真；穩(wěn)態(tài)仿真

0 前言

核島地坑過濾器用于事故工況下攔截碎渣，為堆芯提供冷卻通道。當(dāng)核島地坑過濾器產(chǎn)生漩渦現(xiàn)象時(shí)，其夾帶空氣通過管道進(jìn)入下游泵的腔內(nèi)，將降低泵的抽吸作用，使得進(jìn)入堆芯冷卻通道的冷卻水減少，對(duì)核電安全性產(chǎn)生影響[1]。

AP1000核電廠的地坑過濾器為兩套不同的濾網(wǎng)，即內(nèi)置換料水箱濾網(wǎng)（IR?WST濾網(wǎng)）和安全殼再循環(huán)濾網(wǎng)（CR濾網(wǎng)）[1]。CR濾網(wǎng)安裝在83’標(biāo)高的地板上，其頂部遠(yuǎn)低于事故水位，不會(huì)產(chǎn)生漩渦現(xiàn)象，可不作考慮；IR?WST濾網(wǎng)安裝在103’標(biāo)高的內(nèi)置換料水箱地板上，事故水位初始遠(yuǎn)高于IRWST濾網(wǎng)頂部，之后慢慢下降，穩(wěn)定在108’標(biāo)高，要求IRWST濾網(wǎng)不會(huì)產(chǎn)生漩渦現(xiàn)象。因此，本文對(duì)IRWST濾網(wǎng)在水位下降過程中是否產(chǎn)生漩渦現(xiàn)象展開研究，圖1為IRWST濾網(wǎng)的布置示意圖。

圖1 IRWST濾網(wǎng)（A、B、C）布置示意圖

1 分析思路

因水位越高，越不容易產(chǎn)生漩渦現(xiàn)象，通常設(shè)定事故初始水位高于IRWST濾網(wǎng)頂部1 m，之后慢慢下降，當(dāng)水位穩(wěn)定于108’標(biāo)高時(shí)，距IR?WST濾網(wǎng)頂部0.05 m，見圖2。

本文將采用三種方法對(duì)IRWST濾網(wǎng)是否產(chǎn)生漩渦現(xiàn)象進(jìn)行分析：

（1）參照水電站關(guān)于漩渦的臨界淹沒水深計(jì)算公式[2-3]進(jìn)行理論計(jì)算；

（2）采用瞬態(tài)模擬法進(jìn)行漩渦仿真分析，即采用水和氣兩相介質(zhì)模擬實(shí)際工況中水位下降過程，可直觀發(fā)現(xiàn)是否產(chǎn)生漩渦現(xiàn)象；

（3）采用穩(wěn)態(tài)模擬法進(jìn)行漩渦仿真分析，直接模擬最低水位即處于標(biāo)高108’處時(shí)內(nèi)置換料水箱的流動(dòng)狀態(tài)，通過對(duì)分析模型速度矢量及壓力分布分析，判斷IRWST濾網(wǎng)是否產(chǎn)生漩渦現(xiàn)象。

圖2 IRWST濾網(wǎng)水位高度圖

2 理論公式計(jì)算漩渦現(xiàn)象

一般在邊界條件、來流條件和運(yùn)行條件一定時(shí)，存在一個(gè)下限水深，低于這個(gè)水深，就會(huì)有一定強(qiáng)度的旋渦發(fā)生，這個(gè)界限水深SC叫臨界淹沒水深，見圖3。由于臨界淹沒水深的影響因素眾多，其計(jì)算公式也很多，以Gordont公式應(yīng)用最為廣泛，已被寫入我國的行業(yè)水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[4]。

1970年Gordont根據(jù)29個(gè)常規(guī)電站側(cè)式取水口的原型觀測資料，推導(dǎo)出不發(fā)生吸氣旋渦的最小淹沒深度，見圖3，公式為：

胸腔鏡下肺癌根治術(shù)是治療肺癌的常見手術(shù)方法，在確保微創(chuàng)的同時(shí)，也能保證腫瘤切除率[1]?？焖倏祻?fù)外科(fast track surgery，F(xiàn)TS)通過微創(chuàng)外科技術(shù)、最佳術(shù)后鎮(zhèn)痛以及早期活動(dòng)和術(shù)后飲食等圍手術(shù)期處理，減少應(yīng)激反應(yīng)，降低器官功能障礙的風(fēng)險(xiǎn)，維持生理狀態(tài)，促進(jìn)術(shù)后恢復(fù)，從而縮短住院時(shí)間[2]。我院將FTS理念應(yīng)用于胸腔鏡手術(shù)患者圍手術(shù)期管理，現(xiàn)將結(jié)果報(bào)告如下。

其中：SC—最小淹沒深度（m）；d—閘孔高度（m）；v—閘孔斷面平均流速（m/s）；c—系數(shù)，對(duì)稱水流取0.55，邊界復(fù)雜和側(cè)向水流取0.73。

按照Gordont公式對(duì)IRWST濾網(wǎng)置于內(nèi)置換料水箱中能否產(chǎn)生漩渦現(xiàn)象進(jìn)行計(jì)算：

圖3 淹沒深度示意圖

（2）確定閘孔高度d：IRWST濾網(wǎng)（A、B、C）的高度相同，其值為d=1.45 m；

（3）確定系數(shù)c：IRWST濾網(wǎng)（A、B、C）均是側(cè)向進(jìn)水，固選擇系數(shù)c=0.73；

3 瞬態(tài)仿真模擬漩渦現(xiàn)象

3.1 建立分析模型

建立安全殼內(nèi)置換料水箱分析模型，該模型的出水面為IRWST濾網(wǎng)的進(jìn)水面，水位面為模型頂部平面，距濾網(wǎng)頂部為1 m，并采用六面體單元對(duì)分析模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，見圖4。

確定分析模型進(jìn)行漩渦計(jì)算時(shí)必要的邊界條件：

（1）分析過程中，不考慮外部壓力影響，即水位面的相對(duì)壓力為0 Pa；

圖4 IRWST分析模型網(wǎng)格示意圖

（2）出水面的平均流速v=0.02 m/s；

（3）內(nèi)置換料水箱中水位從初始高度降至高于濾網(wǎng)頂部0.05 m時(shí)，需用的時(shí)間t=V/Q=1 067 s。

3.2 瞬態(tài)法漩渦分析

對(duì)分析模型進(jìn)行計(jì)算，前300步部分計(jì)算殘差值高于1E-4，但數(shù)值已恒定，不隨迭代次數(shù)的增加而發(fā)生變化，亦達(dá)到收斂的目的；300步之后所有計(jì)算殘差值低于1E-4，收斂良好，并且檢測點(diǎn)的線性很好，符合分析模型恒定流速輸出的特點(diǎn)。

對(duì)分析模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行整理，給出了水位下降20%、50%、75%及100%的水位面及垂直方向水與空氣的分界線，見圖5。在整個(gè)水位下降過程中，安全殼內(nèi)置換料水箱中水位面平整，無漩渦現(xiàn)象產(chǎn)生。

圖5 IRWST濾網(wǎng)瞬態(tài)分析結(jié)果

4 穩(wěn)態(tài)仿真模擬漩渦現(xiàn)象

采用穩(wěn)態(tài)模擬法進(jìn)行漩渦分析，模擬安全殼內(nèi)置換料水箱內(nèi)水位穩(wěn)定于標(biāo)高108’處的狀態(tài)。建立安全殼內(nèi)置換料水箱分析模型，與瞬態(tài)模擬法漩渦分析時(shí)所建模型相比，唯一不同在于模型頂部平面距濾網(wǎng)頂部平面僅0.05 m，其他尺寸及邊界條件均相同。

對(duì)分析模型進(jìn)行計(jì)算，得到其流速矢量圖，見圖6。由圖6可知，在IRWST濾網(wǎng)A、濾網(wǎng)B和濾網(wǎng)C進(jìn)水口附近，水流速度的方向均是向下，并略傾斜向?yàn)V網(wǎng)進(jìn)水口，未發(fā)現(xiàn)代表漩渦現(xiàn)象的環(huán)形速度矢量。因此，可判定內(nèi)置換料水箱內(nèi)水位下降過程中，IRWST濾網(wǎng)運(yùn)行不會(huì)引起漩渦現(xiàn)象。

圖6 分析模型進(jìn)水面流速矢量圖

5 結(jié)語

本文采用三種方法對(duì)IRWST濾網(wǎng)的漩渦現(xiàn)象進(jìn)行研究，一是采用理論公式法，通過臨界淹沒水深進(jìn)行判斷；二是采用瞬態(tài)仿真模擬法，直接觀察水位下降過程中的水與空氣的分界面；三是采用穩(wěn)態(tài)仿真模擬法，通過流體的速度矢量進(jìn)行判斷。三種方法原理不同，但得出相同的結(jié)論，即內(nèi)置換料水箱水位下降過程中，IRWST濾網(wǎng)運(yùn)行不會(huì)引起漩渦現(xiàn)象。此結(jié)論與實(shí)際工況相符合，因AP1000堆型取消了安全級(jí)噴淋系統(tǒng)，增大了濾網(wǎng)面積，使得過濾器的流速很低，難以產(chǎn)生漩渦現(xiàn)象。

［1］林誠格，郁祖盛.非能動(dòng)安全先進(jìn)核電廠AP1000［M］.北京：原子能出版社，2008.

［2］鄭雙凌，馬吉明.水口漩渦特性及臨界淹沒水深的研究進(jìn)展［J］.南水北調(diào)與水利科技，2010（5）：129-132.

［3］陳云良.進(jìn)水口前立軸旋渦水力特性的研究［D］.成都：四川大學(xué)，2006.

［4］SL285-2003［S］.水利水電工程進(jìn)水口設(shè)計(jì)規(guī)范.

Vortex Analysis Technique of IRWST Screen

ZHAI Huan-le，YU Yu-fang，ZHOU Qing，HE Zhang-chen
（China Energy Equipment Nanjing Technology Centre，Nanjing210015，China）

Select the IRWST screen used in AP1000 nuclear power plants as the research object.This paper provides three vortex research methods of critical submergence calculation，transient simulation and steady simulation，and concludes that the IRWST screen does not cause vortex phenomenon.The three methods，with different principle，can verify each other，and be used to research the vortex characteristics of filter products.

IRWST screen；vortex analysis；transient simulation；steady simulation

TB126

：A

：1009－9492(2014)12－0148－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.12.037

翟歡樂，男，1985年生，碩士，工程師。研究領(lǐng)域：核電產(chǎn)品、節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品。已發(fā)表論文1篇。

(編輯：向 飛)

2014－09－15