鄭開(kāi)云， 葛 磊， 陳功名， 王興平

（上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院，上海 200240）

核電廠安全級(jí)設(shè)備需要通過(guò)一系列的鑒定試驗(yàn)，以驗(yàn)證設(shè)備安全相關(guān)功能滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求.設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故（DBA）模擬試驗(yàn)通常是設(shè)備鑒定中的最后一項(xiàng)試驗(yàn)，用于模擬核電廠失水事故（LOCA）、主蒸汽管道破裂（MSLB）或高能管道破裂（HELB）事故，試驗(yàn)依據(jù)核電廠設(shè)計(jì)規(guī)范書(shū)或者鑒定試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中給出的DBA溫度和壓力曲線進(jìn)行.根據(jù)核電設(shè)備鑒定試驗(yàn)要求，實(shí)際的DBA試驗(yàn)溫度和壓力條件必須包絡(luò)要求的試驗(yàn)曲線并加上規(guī)定裕度［1］.

DBA試驗(yàn)熱沖擊過(guò)程是整個(gè)試驗(yàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，這一過(guò)程模擬了核電廠管道破裂的瞬間［2］.對(duì)于國(guó)內(nèi)基于法國(guó)M310堆型的二代核電廠，核電設(shè)備DBA試驗(yàn)遵循法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)NFM61－001規(guī)定試驗(yàn)曲線，有2次熱沖擊，均要求在30s內(nèi)溫度從323.2 K上升到429.2K，壓力從0.100MPa上升到0.560 MPa［3］.對(duì)于目前正在建設(shè)的三代AP1000核電廠，DBA熱沖擊過(guò)程要求在第1s內(nèi)溫度從324.9K上升到421.8K（包括8K裕度），壓力從0.122MPa上升到0.177MPa，到第19s時(shí)溫度達(dá)到峰值497.9K（包括8K裕度），壓力達(dá)到0.536MPa（包括0.069MPa裕度）.三代核電DBA試驗(yàn)熱沖擊速率高于二代核電，尤其是第1s熱沖擊溫升接近100 K，對(duì)試驗(yàn)裝置的能力提出更高要求，用于核電設(shè)備DBA鑒定試驗(yàn)的裝置需要重新設(shè)計(jì)或改造.

DBA試驗(yàn)裝置（LOCA爐）的熱力系統(tǒng)核心部件包括蒸汽源、儲(chǔ)汽罐（組）、試驗(yàn)倉(cāng)、快開(kāi)閥和連接管道等，基本工藝過(guò)程為：事先將高溫高壓蒸汽儲(chǔ)存于儲(chǔ)汽罐，試驗(yàn)時(shí)打開(kāi)快開(kāi)閥，儲(chǔ)汽罐中的蒸汽快速充入試驗(yàn)倉(cāng)中［2，4-5］.對(duì)于 AP1000核電設(shè)備的 DBA試驗(yàn)來(lái)說(shuō)，第1s熱沖擊過(guò)程的試驗(yàn)難度最高，儲(chǔ)汽罐必須在1s內(nèi)提供蒸汽和能量使試驗(yàn)倉(cāng)從初始溫度和壓力（324.9K／0.122MPa）達(dá)到目標(biāo)溫度和壓力（421.8K／0.177MPa）.試驗(yàn)裝置的系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須解決以下技術(shù)難題：儲(chǔ)汽罐能夠在1s內(nèi)將所需的蒸汽質(zhì)量和能量傳輸至試驗(yàn)倉(cāng)內(nèi)，同時(shí)至少確保試驗(yàn)倉(cāng)內(nèi)試件周圍介質(zhì)（空氣和蒸汽）的溫度和壓力在1s內(nèi)達(dá)到目標(biāo)值.此外，測(cè)量系統(tǒng)也應(yīng)能夠準(zhǔn)確測(cè)量熱沖擊過(guò)程的溫度和壓力變化，特別是溫度測(cè)量系統(tǒng)的響應(yīng)應(yīng)足夠快［2］.

由于1s瞬態(tài)過(guò)程難以通過(guò)常規(guī)的熱工方法進(jìn)行測(cè)量，需要結(jié)合理論計(jì)算和計(jì)算機(jī)模擬的方法加以分析.隨著計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）及相應(yīng)計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬計(jì)算廣泛應(yīng)用于流體力學(xué)問(wèn)題的研究，其中劉強(qiáng)等［6］采用CFX軟件對(duì)二代核電DBA試驗(yàn)熱沖擊過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬.筆者試圖應(yīng)用Fluent軟件模擬AP1000核電DBA試驗(yàn)第1s熱沖擊過(guò)程，通過(guò)數(shù)值計(jì)算獲得熱沖擊瞬態(tài)物質(zhì)和能量傳輸過(guò)程以及系統(tǒng)溫度、壓力、流速和組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)等狀態(tài)參數(shù)的變化，探討實(shí)現(xiàn)1s內(nèi)瞬態(tài)熱沖擊試驗(yàn)的技術(shù)可行性，從而為AP1000核電DBA試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)工藝的制定提供參考依據(jù).

1 物理模型與熱力學(xué)計(jì)算

1.1 物理模型

圖1是簡(jiǎn)化的DBA試驗(yàn)裝置物理模型，為簡(jiǎn)化數(shù)值模擬計(jì)算，物理模型設(shè)為軸對(duì)稱幾何結(jié)構(gòu)，包括2個(gè)儲(chǔ)汽罐（容積各0.52m3）、試驗(yàn)倉(cāng)（容積17.18 m3）及倉(cāng)內(nèi)試件（體積1.41m3）、連接管道（內(nèi)徑60 mm）和快開(kāi)閥.根據(jù)前人研究經(jīng)驗(yàn)［2］，儲(chǔ)汽罐用來(lái)存儲(chǔ)過(guò)熱蒸汽，溫度不超過(guò)安全殼主工藝系統(tǒng)介質(zhì)溫度（＜623.2K）.為確保儲(chǔ)汽罐有足夠的充氣能力并考慮壓力容器設(shè)計(jì)，采用2MPa左右的壓力較為合理.儲(chǔ)汽罐容積僅考慮第1s熱沖擊的蒸汽供應(yīng)量，分別布置于試驗(yàn)倉(cāng)兩端.快開(kāi)閥啟動(dòng)至全開(kāi)時(shí)間設(shè)為0.5s，內(nèi)徑設(shè)為60mm，以符合現(xiàn)有快開(kāi)閥技術(shù)水平.

圖1 DBA試驗(yàn)裝置物理模型Fig.1 Physical model of the DBA testing facility

1.2 熱力學(xué)計(jì)算

物理模型的熱力學(xué)計(jì)算基于以下假設(shè)：（1）第1 s結(jié)束時(shí)儲(chǔ)汽罐和試驗(yàn)倉(cāng)內(nèi)近似達(dá)到熱平衡；（2）空氣和過(guò)熱蒸汽狀態(tài)變化近似服從理想氣體狀態(tài)方程；（3）忽略熱沖擊過(guò)程的熱損失，包括儲(chǔ)汽罐、試驗(yàn)倉(cāng)、試件和管道等吸熱；（4）能量計(jì)算忽略流體的動(dòng)能.通過(guò)試湊法計(jì)算可獲得試驗(yàn)初始參數(shù)，以表1所列初始條件為例，以下給出相應(yīng)的驗(yàn)算過(guò)程.

儲(chǔ)汽罐初始溫度（T儲(chǔ)1）、壓力（p儲(chǔ)1）、比熱力學(xué)能（u儲(chǔ)1）、密度（ρ儲(chǔ)1）、容積（V儲(chǔ)）、質(zhì)量（m儲(chǔ)1）以及試驗(yàn)倉(cāng)初始溫度（T試1）、壓力（p試1）、比熱力學(xué)能（u試1）、密度（ρ試1）、容積（V試）、質(zhì)量（m試1）列于表1.

表1 儲(chǔ)汽罐和試驗(yàn)倉(cāng)的初始條件Tab.1 Initial condition of the accumulator and test chamber

儲(chǔ)汽罐快速釋放蒸汽為絕熱過(guò)程，罐內(nèi)過(guò)熱蒸汽按定熵過(guò)程變化，即

式中：κ為過(guò)熱蒸汽絕熱指數(shù)，取κ＝1.3；T儲(chǔ)2、p儲(chǔ)2分別為儲(chǔ)汽罐蒸汽釋放過(guò)程的溫度和壓力.

當(dāng)儲(chǔ)汽罐壓力降至p儲(chǔ)2＝0.900MPa時(shí)，儲(chǔ)汽罐的溫度T儲(chǔ)2＝510.0K.此時(shí)，儲(chǔ)汽罐剩余的蒸汽仍然處于過(guò)熱狀態(tài)，比熱力學(xué)能u儲(chǔ)2＝2691kJ／kg，密度ρ儲(chǔ)2＝3.97kg／m3，質(zhì)量m儲(chǔ)2＝4.13kg.那么，儲(chǔ)汽罐剩余蒸汽的熱力學(xué)能變化ΔU儲(chǔ)＝－628kJ，儲(chǔ)汽罐釋放的蒸汽質(zhì)量Δm儲(chǔ)＝3.52kg，儲(chǔ)汽罐釋放蒸汽的初始體積V儲(chǔ)放＝0.48m3.

儲(chǔ)汽罐釋放的蒸汽進(jìn)入試驗(yàn)倉(cāng)，與試驗(yàn)倉(cāng)內(nèi)空氣混合，2種介質(zhì)均視為理想氣體，當(dāng)試驗(yàn)倉(cāng)溫度（T試2）達(dá)到421.8K時(shí)，儲(chǔ)汽罐釋放的蒸汽在試驗(yàn)倉(cāng)內(nèi)所達(dá)到的分壓力p蒸汽為

試驗(yàn)倉(cāng)內(nèi)蒸汽的比熱力學(xué)能u蒸汽＝2584kJ／kg，儲(chǔ)汽罐釋放的蒸汽的熱力學(xué)能變化ΔU蒸汽＝－912kJ.試驗(yàn)倉(cāng)內(nèi)空氣所達(dá)到的分壓力p空氣為

試驗(yàn)倉(cāng)內(nèi)空氣的比熱力學(xué)能u空氣＝302kJ／kg，空氣的熱力學(xué)能變化ΔU空氣＝1446kJ.

儲(chǔ)汽罐和試驗(yàn)倉(cāng)內(nèi)能量守恒，滿足如下公式

則剩余能量ΔU余＝94kJ.表明上述熱力學(xué)過(guò)程還有94kJ能量多余，這些能量還可以使試驗(yàn)倉(cāng)溫度再提高約4.6K，即試驗(yàn)倉(cāng)最終溫度T試2＝426.6 K，試驗(yàn)倉(cāng)最終壓力p試2為

此時(shí)，試驗(yàn)倉(cāng)內(nèi)介質(zhì)為未飽和濕空氣.

根據(jù)以上計(jì)算，對(duì)于表1給定初始溫度和壓力，當(dāng)儲(chǔ)汽罐溫度和壓力為510.0K／0.900MPa時(shí)，試驗(yàn)倉(cāng)可達(dá)到的溫度和壓力為426.6K／0.202MPa，包絡(luò)預(yù)期目標(biāo)值（421.8K／0.177MPa）.需要說(shuō)明的是，合理的初始參數(shù)可以有很多組，筆者試算了儲(chǔ)汽罐溫度603～653K和壓力1.6～2MPa范圍的多組條件，均可以達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，這里不一一論證.

2 數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值計(jì)算模型

根據(jù)物理模型的幾何對(duì)稱性，將閥門開(kāi)啟簡(jiǎn)化為流通孔徑擴(kuò)張過(guò)程，數(shù)值計(jì)算模型可簡(jiǎn)化為軸對(duì)稱和鏡面對(duì)稱問(wèn)題.計(jì)算區(qū)域取平面幾何模型的1／4，采用Gambit的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方法對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)劃分.閥門采用動(dòng)網(wǎng)格，孔徑擴(kuò)張速率為120mm／s，閥門全開(kāi)時(shí)間為0.5s.對(duì)初始網(wǎng)格單元數(shù)分別為14157、17036和20893三套網(wǎng)格進(jìn)行了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證.網(wǎng)格加密主要針對(duì)管道、閥門和試驗(yàn)倉(cāng)入口至擋板區(qū)域，當(dāng)網(wǎng)格單元數(shù)增至20893時(shí)，計(jì)算結(jié)果與前者相比已無(wú)顯著變化，最終選用此套網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果.CFD計(jì)算通過(guò)求解雷諾時(shí)均控制方程組，包括連續(xù)性方程、組分輸運(yùn)方程、能量方程、動(dòng)量方程、RNGk－ε湍流模型方程組和理想氣體狀態(tài)方程.

2.2 邊界條件和初始條件

儲(chǔ)汽罐、試驗(yàn)倉(cāng)、管道內(nèi)壁面和試件外壁面、閥門壁面和擋板均設(shè)為無(wú)滑移絕熱固壁邊界.閥門左側(cè)區(qū)域初始條件定義為613.2K／2.000MPa的靜止過(guò)熱蒸汽，閥門右側(cè)區(qū)域初始條件定義為324.9 K／0.122MPa的靜止空氣.

2.3 求解過(guò)程

數(shù)值計(jì)算采用Fluent的密度基瞬態(tài)求解器，隱式求解格式.時(shí)間步長(zhǎng)取5×10－6s，閥門開(kāi)啟過(guò)程每個(gè)時(shí)間步迭代50次，閥門全開(kāi)后每個(gè)時(shí)間步迭代35次，計(jì)算結(jié)果收斂，累計(jì)時(shí)間為1s時(shí)計(jì)算結(jié)束.求解過(guò)程同時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)溫度、壓力、流速、組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)和密度等參數(shù).

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 儲(chǔ)汽罐蒸汽狀態(tài)變化

儲(chǔ)汽罐釋放蒸汽過(guò)程中，除出口處達(dá)到亞音速以及軸線附近有一定的速度以外，儲(chǔ)汽罐內(nèi)絕大部分區(qū)域的蒸汽接近靜止?fàn)顟B(tài).由于儲(chǔ)汽罐內(nèi)蒸汽流速很低，溫度、壓力和密度的分布都非常均勻.圖2為儲(chǔ)汽罐內(nèi)部測(cè)點(diǎn)A的溫度和壓力隨時(shí)間的變化.由圖2可見(jiàn)，隨著儲(chǔ)汽罐內(nèi)蒸汽的釋放，罐內(nèi)蒸汽的溫度和壓力隨之降低.在蒸汽釋放過(guò)程早期（時(shí)間＜0.2s），儲(chǔ)汽罐內(nèi)蒸汽溫度和壓力下降比較緩慢，之后溫度和壓力開(kāi)始急劇下降，至0.5s附近下降速率達(dá)到最大值，此后溫度下降速率基本保持穩(wěn)定，壓力下降速率逐漸減緩.圖3為儲(chǔ)汽罐內(nèi)部測(cè)點(diǎn)A的溫度與壓力的關(guān)系，對(duì)比了數(shù)值計(jì)算結(jié)果與按絕熱過(guò)程（式（1））的理論計(jì)算結(jié)果，兩條曲線基本重合，說(shuō)明Fluent數(shù)值模擬所采用的網(wǎng)格和求解設(shè)置合理，迭代過(guò)程充分收斂，數(shù)值計(jì)算能夠準(zhǔn)確描述蒸汽釋放過(guò)程中儲(chǔ)汽罐內(nèi)剩余蒸汽的狀態(tài)變化.儲(chǔ)汽罐中蒸汽釋放質(zhì)量流量通過(guò)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的密度變化推算.圖4給出了儲(chǔ)汽罐中蒸汽釋放質(zhì)量流量和累積釋放質(zhì)量隨時(shí)間的變化.由圖4可知，蒸汽釋放質(zhì)量流量先隨時(shí)間不斷升高，至0.5s時(shí)達(dá)到峰值，正好對(duì)應(yīng)于閥門全開(kāi)時(shí)刻，之后逐漸降低，隨著過(guò)程的繼續(xù)，儲(chǔ)汽罐累積釋放蒸汽質(zhì)量至0.74s時(shí)達(dá)到前文熱力學(xué)估算值3.52kg，由下文分析結(jié)果可知，此時(shí)試驗(yàn)倉(cāng)內(nèi)試件周圍環(huán)境參數(shù)已達(dá)到目標(biāo)值.實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮流阻的影響，為進(jìn)一步確保蒸汽瞬時(shí)傳輸至試驗(yàn)倉(cāng)，可以合理增加蒸汽釋放管道.

圖2 儲(chǔ)汽罐內(nèi)部測(cè)點(diǎn)A的溫度和壓力隨時(shí)間的變化Fig.2 Curves of temperature and pressure vs.time for point Ain the accumulator

圖3 儲(chǔ)汽罐內(nèi)部測(cè)點(diǎn)A的溫度與壓力的關(guān)系Fig.3 Relationship between temperature and pressure for point Ain the accumulator

圖4 儲(chǔ)汽罐中蒸汽釋放質(zhì)量流量和累積釋放質(zhì)量隨時(shí)間的變化Fig.4 Curves of steam mass flow and accumulative mass release from the accumulator vs.time

3.2 蒸汽噴射過(guò)程分析

蒸汽從儲(chǔ)汽罐噴射至試驗(yàn)倉(cāng)的流速可達(dá)到超音速.圖5給出了0.3s、0.5s、0.7s和1s時(shí)刻管道入口至擋板軸線上氣體瞬態(tài)馬赫數(shù)分布，圖中橫坐標(biāo)位置與圖1所示對(duì)應(yīng).0.3s時(shí)閥門部分開(kāi)啟，閥門上游管道內(nèi)蒸汽流速為亞音速，閥門位置躍升至音速，閥門下游流速繼續(xù)躍升至超音速，并形成超音速射流.閥門下游管道內(nèi)和管道出口射流方向蒸汽馬赫數(shù)呈小幅度波動(dòng)，這是由于超音速射流經(jīng)過(guò)交替出現(xiàn)的微弱膨脹波和壓縮波造成的［7］.射流到達(dá)擋板附近馬赫數(shù)快速減小，流速降至亞音速.0.5s時(shí)閥門全開(kāi)后，在管道入口蒸汽流速躍升至接近音速，在管道內(nèi)蒸汽流速稍有增大，至管道出口蒸汽流速略高于音速，蒸汽充入試驗(yàn)倉(cāng)呈欠膨脹超音速射流狀態(tài)，馬赫數(shù)大幅度波動(dòng)，這是由于管道入口產(chǎn)生強(qiáng)烈的膨脹波，膨脹相交并在自由邊界反射出壓縮波，壓縮波相交并匯聚，如此形成節(jié)狀射流結(jié)構(gòu)［7］.由于擋板距離射流入口較近，射流的第二個(gè)波節(jié)未能發(fā)展完全，流速在擋板附近快速衰減為亞音速，氣體沿?fù)醢逑騻}(cāng)內(nèi)流動(dòng)，見(jiàn)圖6所示試驗(yàn)倉(cāng)入口附近速度云圖.0.7s時(shí)，蒸汽仍為超音速射流，射流結(jié)構(gòu)與圖6所示類似，但馬赫數(shù)波動(dòng)幅度顯著下降.隨著管道入口壓力進(jìn)一步下降以及試驗(yàn)倉(cāng)內(nèi)壓力升高，蒸汽充入試驗(yàn)倉(cāng)時(shí)的速度波動(dòng)減弱，1s時(shí)蒸汽進(jìn)入試驗(yàn)倉(cāng)后不再加速，馬赫數(shù)先是保持不變之后快速減小.

圖5 管道入口至擋板軸線氣體瞬態(tài)馬赫數(shù)分布Fig.5 Distribution of transient Mach number along pipe axis

圖6 0.5s時(shí)試驗(yàn)倉(cāng)入口附近速度云圖Fig.6 Contours of velocity magnitude at inlet of the test chamber at 0.5s

3.3 試驗(yàn)倉(cāng)氣體狀態(tài)變化

在1s內(nèi)，超音速蒸汽充入試驗(yàn)倉(cāng)內(nèi)，使倉(cāng)內(nèi)溫度、壓力、組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)等狀態(tài)參數(shù)急劇變化.圖7給出了試驗(yàn)倉(cāng)內(nèi)混合氣體溫度變化云圖，隨著蒸汽的不斷充入，空氣溫度升高，并且試驗(yàn)倉(cāng)內(nèi)溫度分布逐漸趨于均勻.圖7（a）中，0.3s時(shí)試驗(yàn)倉(cāng)內(nèi)大部分區(qū)域未發(fā)生顯著升溫，試件周圍只有正對(duì)入口的端面溫度開(kāi)始接近目標(biāo)值，倉(cāng)內(nèi)溫度分布極不均勻；圖7（b）中，0.5s時(shí)試驗(yàn)倉(cāng)內(nèi)大部分區(qū)域溫度顯著升高，試件端面和局部側(cè)面周圍的溫度達(dá)到目標(biāo)值；圖7（c）中，0.7s時(shí)試驗(yàn)倉(cāng)內(nèi)大部分區(qū)域溫度達(dá)到目標(biāo)值，且試件周圍溫度已超過(guò)目標(biāo)值，溫度分布已比較均勻，此時(shí)的氣體流動(dòng)跡線見(jiàn)圖8，氣體流動(dòng)在試驗(yàn)倉(cāng)內(nèi)已充分發(fā)展；圖7（d）中，1s時(shí)試驗(yàn)倉(cāng)內(nèi)溫度進(jìn)一步升高，溫度分布均勻，除入口與擋板附近外，其他區(qū)域溫差小于10K.數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，H2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布與溫度分布十分相似，說(shuō)明物質(zhì)傳輸與傳熱過(guò)程同步進(jìn)行.隨著蒸汽的充入，試驗(yàn)倉(cāng)內(nèi)的壓力不斷升高，由于壓力傳遞速度極快，除入口和擋板附近流速變化劇烈造成壓力變化較大外，總體上試驗(yàn)倉(cāng)內(nèi)壓力分布非常均勻.

圖７ 試驗(yàn)倉(cāng)內(nèi)氣體溫度變化云圖Fig.7 Distribution of temperature in the test chamber

圖8 0.7s時(shí)試驗(yàn)倉(cāng)內(nèi)氣體流線圖Fig.8 Streamlines of gas in the test chamber at 0.7s

為進(jìn)一步定量描述試件周圍環(huán)境狀態(tài)的變化，圖9給出了試件周圍監(jiān)測(cè)點(diǎn)（位置示于圖1）溫度、H2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)和壓力隨時(shí)間變化的曲線.圖9（a）中，0.2s之前試件周圍溫度升高非常緩慢，0.2s以后測(cè)點(diǎn)C溫度急劇升高；0.48s時(shí)測(cè)點(diǎn)C的溫度達(dá)到目標(biāo)值，0.5s以后測(cè)點(diǎn)C溫度上升速率趨于平緩；0.22s以后測(cè)點(diǎn)B的溫度也急劇升高，0.32s時(shí)測(cè)點(diǎn)B的溫度達(dá)到目標(biāo)值，之后溫度上升速率趨于平緩；測(cè)點(diǎn)D的溫度在0.5s前緩慢升高，之后急劇上升，至0.58s時(shí)溫度達(dá)到目標(biāo)值，0.6s以后溫度上升速率趨于平緩；測(cè)點(diǎn)E的溫度在0.6s前緩慢升高，之后急劇上升，至0.7s時(shí)溫度達(dá)到目標(biāo)值，之后溫度上升速率趨于平緩.由圖9（b）可見(jiàn)，上述測(cè)點(diǎn)的H2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化與溫度變化趨勢(shì)十分相似，特別是溫度急劇上升階段與H2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0急劇上升階段相對(duì)應(yīng)，這是由于高溫蒸汽以“浪涌”方式充入試驗(yàn)倉(cāng)，蒸汽到達(dá)時(shí)，該點(diǎn)H2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)和溫度會(huì)同時(shí)躍升.上述各個(gè)測(cè)點(diǎn)壓力隨時(shí)間的變化曲線如圖9（c）所示，可見(jiàn)各測(cè)點(diǎn)的壓力相等.

圖9 試件周圍監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度、H2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)和壓力隨時(shí)間的變化Fig.9 Curves of temperature，pressure，H2O concentration vs.time for monitoring points around the specimen

由圖9還可以看出，蒸汽快速充入試驗(yàn)倉(cāng)的過(guò)程中，蒸汽的能量傳遞給試驗(yàn)倉(cāng)內(nèi)的空氣，能量傳遞有2種形式：（1）高溫蒸汽與空氣混合，這一傳熱過(guò)程非常劇烈，當(dāng)蒸汽與空氣混合后，空氣溫度迅速升高；（2）蒸汽未到達(dá)區(qū)域的空氣受到壓縮，能量通過(guò)做功形式傳遞，由于試驗(yàn)倉(cāng)壓力升高較為緩慢，壓縮做功引起的溫升速率較小.可以驗(yàn)證，圖9（a）所示點(diǎn)I－II連線狀態(tài)變化服從絕熱壓縮過(guò)程.圖10所示為測(cè)點(diǎn)E溫度（點(diǎn)I－II連線）與對(duì)應(yīng)壓力的關(guān)系曲線，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與絕熱過(guò)程理論計(jì)算（取空氣絕熱指數(shù)κ＝1.4）的2條曲線基本重合，可見(jiàn)試驗(yàn)倉(cāng)內(nèi)空氣壓縮服從絕熱過(guò)程.由此可見(jiàn)，在蒸汽充入過(guò)程早期，未與蒸汽混合的空氣狀態(tài)變化滿足絕熱壓縮過(guò)程.但是，單純依靠絕熱壓縮來(lái)達(dá)到目標(biāo)溫度是不現(xiàn)實(shí)的，此時(shí)空氣壓力需要達(dá)到0.305MPa.因此，試驗(yàn)倉(cāng)達(dá)到目標(biāo)溫度主要是依靠蒸汽與空氣的混合.

圖10 測(cè)點(diǎn)E的溫度與壓力的關(guān)系Fig.10 Curve of temperature vs.pressure for monitoring point E

通過(guò)上述分析表明，試件周圍環(huán)境條件在1s內(nèi)達(dá)到DBA試驗(yàn)的目標(biāo)溫度和壓力值可以實(shí)現(xiàn).需要注意的是，由于筆者為計(jì)算方便選用軸對(duì)稱模型，蒸汽入射口正對(duì)試件兩端面，造成試件側(cè)面溫度上升有所滯后，實(shí)際設(shè)計(jì)試驗(yàn)時(shí)，在試驗(yàn)倉(cāng)周圍合理布置多個(gè)蒸汽入射口，可以提高升溫的同步性.另一方面，從以上數(shù)值模擬結(jié)果來(lái)看，正對(duì)蒸汽入口的試件端面溫度可在0.5s內(nèi)達(dá)到目標(biāo)值，即測(cè)溫元件至少還有0.5s的響應(yīng)時(shí)間，這對(duì)于解決測(cè)溫元件響應(yīng)滯后的問(wèn)題是有利的.雖然，數(shù)值模擬結(jié)果表明試驗(yàn)倉(cāng)在1s時(shí)的溫度和壓力已超過(guò)目標(biāo)值，但是在實(shí)際的工藝過(guò)程中，需要考慮試件和壁面吸熱造成的溫度和壓力的下降，相應(yīng)的數(shù)值模型需要根據(jù)實(shí)際部件結(jié)構(gòu)和材料進(jìn)行調(diào)整.

4 結(jié) 論

（1）采用儲(chǔ)汽罐釋放高溫高壓過(guò)熱蒸汽充入試驗(yàn)倉(cāng)的方法可以實(shí)現(xiàn)DBA試驗(yàn)第1s熱沖擊要求，試驗(yàn)倉(cāng)內(nèi)溫度和壓力達(dá)到目標(biāo)值，過(guò)熱蒸汽初始參數(shù)可近似通過(guò)熱力學(xué)計(jì)算確定.

（2）熱沖擊過(guò)程中試驗(yàn)倉(cāng)內(nèi)除蒸汽入口和擋板附近的局部壓力分布不均勻外，其他區(qū)域壓力分布均勻且隨時(shí)間平穩(wěn)上升，熱沖擊過(guò)程試驗(yàn)倉(cāng)內(nèi)溫度分布與蒸汽湍流擴(kuò)散過(guò)程有關(guān)，倉(cāng)內(nèi)溫度階躍波動(dòng)上升，溫升主要依靠蒸汽與空氣的混合，同時(shí)空氣絕熱壓縮過(guò)程對(duì)溫升也有貢獻(xiàn)，在1s熱沖擊后期倉(cāng)內(nèi)溫度分布趨于均勻.

（3）儲(chǔ)汽罐蒸汽進(jìn)入管道后達(dá)到音速或超音速，并以超音速射流進(jìn)入試驗(yàn)倉(cāng)，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，為進(jìn)一步確保蒸汽瞬時(shí)傳輸至試驗(yàn)倉(cāng)，可合理增設(shè)蒸汽管道，同時(shí)也有利于提高試驗(yàn)倉(cāng)內(nèi)升溫同步性.

［1］Institute of Electrical and Electronics Engineers.IEEE Std 323—2003IEEE standard for qualifying class 1E equipment for nuclear power generating stations［S］.New York，USA：The Institute of Electrical and Electronics Engineers，Inc.，2004.

［2］王琭.LOCA試驗(yàn)質(zhì)量影響因素分析［J］.中國(guó)核電，2008，1（2）：140－145.WANG Lu.Analysis of factors affecting the LOCA test quality［J］.China Nuclear Power，2008，1（2）：140－145.

［3］Association Fran?aise pour les règles de Conception，de construction et de surveillance en exploitation des matériels des Chaudières Electro Nucléaires（AFCEN）.NF M 64—001Qualification of electric equipment in a nuclear accident environment［S］.Paris，F(xiàn)rance：Association Fran?aise de Normalisation（AFNOR），1991.

［4］龔國(guó)祥，李驥，田金良.核電站LOCA試驗(yàn)裝置：中國(guó)，CN 202018832U［P］.2011－10－26.

［5］顏昌彪.LOCA鑒定試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)研究［J］.廣東化工，2011，38（2）：40－42.YAN Changbiao.D＆R of LOCA test bench［J］.Guangdong Chemical Industry，2011，38（2）：40－42.

［6］劉強(qiáng)，帥劍云，黃衛(wèi)星，等.LOCA爐封閉大空間內(nèi)承壓熱沖擊過(guò)程數(shù)值模擬研究［J］.化工裝備技術(shù)，2009，30（1）：39－43.LIU Qiang，SHUAI Jianyun，HUANG Weixing，et al.Numerical investigation of PTS process in a large enclosure of LOCA furnace［J］.Chemical Equipment Technology，2009，30（1）：39－43.

［7］趙承慶，姜毅.氣體射流動(dòng)力學(xué)［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，1998：129－143.