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        直流式蒸汽發(fā)生器數(shù)值模擬

        2016-10-18 13:58:54李平
        科技視界 2016年22期
        關(guān)鍵詞:熱應(yīng)力

        李平

        【摘 要】以中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆(CEFR)40%功率下的蒸汽發(fā)生器為原型,基于相似?;斫⒘苏羝l(fā)生器簡(jiǎn)化物理模型。采用兩流體模型及熱彈性力學(xué)基本關(guān)系式分別描述氣液兩相流沸騰相變過(guò)程和熱應(yīng)力變化規(guī)律。利用CFX對(duì)二、三回路側(cè)流體流動(dòng)傳熱及與傳熱管的耦合換熱過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬,并在ANSYS WORKBENCH中實(shí)現(xiàn)了流體溫度場(chǎng)載荷向結(jié)構(gòu)的傳遞,進(jìn)而對(duì)傳熱管進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析和熱應(yīng)力分析。研究結(jié)果為CEFR蒸汽發(fā)生器的安全運(yùn)行提供了一定的理論支撐。

        【關(guān)鍵詞】蒸汽發(fā)生器;氣液兩相流;熱應(yīng)力;流熱固耦合

        0 前言

        CEFR蒸汽發(fā)生器二回路側(cè)為高溫的液態(tài)金屬鈉在管內(nèi)強(qiáng)制流動(dòng),三回路為入口190℃的高溫給水。蒸汽側(cè)涉及氣液兩相流動(dòng)和沸騰換熱,換熱過(guò)程極其復(fù)雜。溫差產(chǎn)生的熱應(yīng)力易引起傳熱管破裂,導(dǎo)致蒸汽發(fā)生器失效,對(duì)蒸汽發(fā)生器安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行影響極大。所以,蒸汽發(fā)生器傳熱管熱應(yīng)力研究對(duì)蒸汽發(fā)生器的運(yùn)行研究具有重要意義。本文采用考慮三回路側(cè)復(fù)雜的氣液兩相流動(dòng)與沸騰換熱的兩流體模型,再利用ANSYS CFX進(jìn)行蒸汽發(fā)生器二、三回路耦合數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上,以ANSYS WORKBENCH為平臺(tái)實(shí)現(xiàn)溫度場(chǎng)載荷向結(jié)構(gòu)的傳遞,進(jìn)行傳熱管穩(wěn)態(tài)熱分析和結(jié)構(gòu)靜力分析。

        1 蒸汽發(fā)生器物理模型簡(jiǎn)化與網(wǎng)格劃分

        以CEFR直流式蒸汽發(fā)生器為原型,考慮二回路鈉的縱向流動(dòng),基于相似?;碚摚⒄羝l(fā)生器的簡(jiǎn)化物理模型。該模型由1根中心傳熱管、與其相鄰的幾個(gè)截面為二分之一圓的曲面。傳熱管內(nèi)為三回路流體域,管束間為二回路鈉流體域。傳熱管直徑為18.5mm,壁厚為2.5mm,管中心間距為32mm,傳熱管直管段高度為13m,與實(shí)際蒸汽發(fā)生器傳熱管尺寸相同。定義傳熱管的進(jìn)出口以及壁面和對(duì)稱面,模型中流體域及傳熱管均采用非常細(xì)化的優(yōu)質(zhì)網(wǎng)格,網(wǎng)格數(shù)為1030512。

        2 數(shù)學(xué)模型

        CEFR蒸汽發(fā)生器二回路鈉側(cè)流體流動(dòng)為單相強(qiáng)制對(duì)流,冷卻劑的質(zhì)量流量達(dá)78kg/s,認(rèn)為是充分發(fā)展的湍流流動(dòng),所以采用標(biāo)準(zhǔn)k‐ε模型。傳熱管內(nèi)的三回路給水為5kg/s采用氣液兩相流動(dòng)及傳熱管熱應(yīng)力數(shù)學(xué)模型。假設(shè)三回路工質(zhì)的含汽率基本上為0.3左右。通過(guò)CFX自身的控制方程耦合氣液兩相之間質(zhì)量、動(dòng)量及能量的傳輸。最終將CFX中計(jì)算出來(lái)的溫度場(chǎng)通過(guò)workbench平臺(tái)傳給力學(xué)分析工具static structural。導(dǎo)入溫度場(chǎng)在力學(xué)分析中,進(jìn)而完成耦合計(jì)算。最終static structural根據(jù)溫度的變化計(jì)算出傳熱管產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變。

        3 邊界條件設(shè)置

        根據(jù)CEFR蒸發(fā)器模型和實(shí)際運(yùn)行參數(shù),在CFX‐pre中設(shè)置邊界條件如下:二回路工質(zhì)采用自定義的液態(tài)金屬鈉材料,具體參數(shù)包含不同溫度下的密度、粘度、導(dǎo)熱系數(shù)等。在40%額定功率的正常工況下二回路入口液鈉溫度為396℃,入口質(zhì)量流量為77.8kg/s,出口壓力為0.291MPa,二回路為單相流動(dòng)。三回路工質(zhì)采用CFX文件包IAPWS數(shù)據(jù)庫(kù)中的steam5v和steam5l,雙相流動(dòng),進(jìn)口質(zhì)量流量為5kg/s,進(jìn)口溫度為190℃,軸向高度方向重力加速度為-9.8m/s2,出口壓力為10MPa。在40%功率失去給水后恢復(fù)的瞬間,三回路入口工質(zhì)溫度基本不變,進(jìn)口流量基本上為5kg/s,出口蒸汽壓力為15.9MPa。二回路的入口鈉溫401℃,鈉流量有一定的變化,出口壓力波動(dòng)不大。二、三回路側(cè)與傳熱管接觸面均設(shè)置為流固交界面,其中液相為無(wú)滑移邊界條件,汽相有滑移;在static structural中設(shè)置中心傳熱管內(nèi)外壁面為流固交界面以導(dǎo)入溫度載荷,傳熱管底部端面設(shè)置軸向零位移約束。

        流熱固耦合分析流程:流熱固耦合分析是在ANSYS static structural和CFX兩個(gè)模塊的基礎(chǔ)上,通過(guò)專用的流固耦合算法實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)和流體的耦合分析。即先由流動(dòng)傳熱數(shù)值計(jì)算結(jié)果得到傳熱管內(nèi)、外壁的溫度,以映射插值法在Workbench中實(shí)現(xiàn)溫度場(chǎng)載荷由CFX‐post向static structural傳遞,進(jìn)而對(duì)傳熱管進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析并計(jì)算傳熱管的熱應(yīng)力,實(shí)現(xiàn)流熱固耦合數(shù)值模擬。

        4 模擬結(jié)果和分析

        本文模擬計(jì)算了在CEFR 40%功率臺(tái)階下的兩種情況:一是,在未出現(xiàn)給水中斷下的正常工況下,蒸發(fā)器傳熱管的溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力;二是,在給水中斷后恢復(fù)給水的瞬間,傳熱管的溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力。

        4.1 在未出現(xiàn)給水中斷下的正常工況下,蒸發(fā)器傳熱管的溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力

        在40%核功率下二回路入口液鈉溫度為396℃,入口質(zhì)量流量為77.8kg/s,出口壓力為0.291MPa,三回路進(jìn)口質(zhì)量流量為5kg/s,進(jìn)口溫度為190℃出口壓力為10MPa。根據(jù)上述參數(shù),計(jì)算傳熱管的溫度場(chǎng)分布。再根據(jù)溫度場(chǎng)數(shù)值傳遞給ANSYS static structural,計(jì)算了傳熱管壁面的最大等效應(yīng)力。

        在40%正常工況下,蒸發(fā)器傳熱管的最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在傳熱管給水入口側(cè)0.2-0.4m處,最大應(yīng)力值為39.7MPa。整根傳熱管的等效應(yīng)力的范圍在5-15MPa以內(nèi),取樣的30721個(gè)單元在15MPa的值上產(chǎn)生坪區(qū)。通過(guò)查閱CEFR蒸汽發(fā)生器說(shuō)明書和調(diào)研國(guó)內(nèi)核電站蒸發(fā)器傳熱管受熱分析可以判斷這種計(jì)算結(jié)果比較符合實(shí)際工程情況。

        4.2 給水中斷后恢復(fù)給水的瞬間傳熱管的溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力

        40%額定工況下在給水中斷后,蒸發(fā)器在短時(shí)間內(nèi)二回路蒸發(fā)器入口鈉溫上升到了401℃,出口鈉溫為386.2℃,此時(shí)的蒸發(fā)器入口鈉流量會(huì)保持在70kg/s。如果在目前這種狀況下恢復(fù)三回路給水,按照40%核功率匹配給水流量,那么入口為190℃的給水,流量為5kg/s,使得傳熱管瞬間冷卻,根據(jù)計(jì)算由于管壁內(nèi)外溫差會(huì)產(chǎn)生152.2MPa的應(yīng)力。

        恢復(fù)給水瞬間傳熱管壁面溫度變化,由此溫度造成的內(nèi)外溫度差形成的熱應(yīng)力計(jì)算值。根據(jù)力學(xué)計(jì)算工具ANSYS static structural的計(jì)算可以看出在恢復(fù)給水的瞬間蒸發(fā)器傳熱管壁面會(huì)形成最大的應(yīng)力152.2MPa左右。同樣進(jìn)行單元采樣,統(tǒng)計(jì)各個(gè)部位平均受到的應(yīng)力,在40%工況下喪失給水后如果采取恢復(fù)給水的措施會(huì)使整根傳熱管的傳熱單元的應(yīng)力在60MPa左右。

        5 結(jié)論

        從此次的仿真模擬中可以看出,CEFR蒸發(fā)器傳熱管在40%正常工況下三回路給水溫度與二回路的鈉溫溫差僅使蒸發(fā)器傳熱管產(chǎn)生5-15MPa的應(yīng)力。但是當(dāng)三回路由于意外使給水終止后嘗試將給水恢復(fù)的話會(huì)產(chǎn)生約為152.2MPa的最大應(yīng)力。雖然此值并沒有超過(guò)俄方提供的最大應(yīng)力值475MPa,但是會(huì)使傳熱管產(chǎn)生一定的振動(dòng),損害傳熱管,在實(shí)際的運(yùn)行中應(yīng)該禁止此類操作。此外,如果在更高的功率臺(tái)階下運(yùn)行,如果三回路給水意外中斷,由于二回路鈉溫較高,流量更大,傳熱管壁面將會(huì)更快的達(dá)到上限溫度,此時(shí)若恢復(fù)給水進(jìn)行冷卻是十分危險(xiǎn)的。

        【參考文獻(xiàn)】

        [1]蔣興,張明,謝永誠(chéng),等.蒸汽發(fā)生器二次側(cè)流場(chǎng)三維數(shù)值模擬[J].原子能科學(xué)技術(shù),2008,42(增刊):438-443.

        [2]楊元龍,孫寶芝.蒸汽發(fā)生器二次側(cè)氣液兩相流數(shù)值模擬[J].原子能科學(xué)技術(shù),2012,46(1):52-56.

        [3]CEFR蒸汽發(fā)生器設(shè)計(jì)說(shuō)明書[S].

        [4]鄭陸松,孫寶芝,楊元龍,楊柳.基于流熱固耦合的核電蒸汽發(fā)生器傳熱管熱應(yīng)力數(shù)值模擬[J].

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