習(xí)蒙蒙　初曉　蔡容　鄭強(qiáng)

【摘 要】利用三維數(shù)值模擬方法，對某三代壓水堆堆坑通風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)的流場和溫度場進(jìn)行了分析。研究了不同堆坑進(jìn)風(fēng)方向和不同進(jìn)風(fēng)參數(shù)條件下，反應(yīng)堆堆坑通風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)的流場及溫度場分布情況。數(shù)值結(jié)果表明，堆坑進(jìn)風(fēng)方向與法線夾角45°時上升段速度分布最均勻，進(jìn)風(fēng)參數(shù)的溫度對堆坑溫度分布的影響大于進(jìn)風(fēng)量的影響。各組進(jìn)風(fēng)參數(shù)下堆坑內(nèi)流體及固體的溫度分布都在合理范圍內(nèi)。

【關(guān)鍵詞】堆坑通風(fēng)系統(tǒng);三維數(shù)值模擬;溫度場

中圖分類號： TM623.91文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）28-0018-005

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.28.005

【Abstract】The flow field and temperature field of the Reactor Pit Ventilation（EVC）system of a three-generation pressurized water reactor were analyzed by using three-dimensional numerical simulation method.The flow field and temperature field distribution in the reactor pit ventilation system under different inlet conditions and different air inlet parameters were studied.The numerical results show that the velocity distribution of the ascending section is the most uniform when the inlet direction is 45° from the normal， and the influence of the temperature of the inlet air parameters on the temperature distribution of the pit is greater than the influence of the inlet air volume.The temperature distribution of fluid and solid in the pit under each group of inlet parameters is within a reasonable range.

【Key words】Reactor pit ventilation system;Three-dimensional numerical simulation;Temperature field

在核電站正常功率運(yùn)行或者熱停堆時，反應(yīng)堆堆坑通風(fēng)系統(tǒng)（EVC）投入運(yùn)行，對反應(yīng)堆壓力容器保溫層外表面、反應(yīng)堆堆坑混凝土、堆外電離室、壓力容器支承環(huán)、包圍反應(yīng)堆冷卻劑管道的混凝土通道實(shí)施冷卻。為了防止以上部件溫度超過限值，需要對EVC進(jìn)行計算研究，得到系統(tǒng)內(nèi)部的流場和溫度場分布。

隨著計算機(jī)的發(fā)展和流體力學(xué)理論的完善，國內(nèi)外學(xué)者使用商用CFD軟件在反應(yīng)堆熱工水力的數(shù)值模擬研究方面已經(jīng)取得了大量成果。羅磊[1]采用RSM湍流模型分析了環(huán)腔的厚度和冷卻劑流速對下腔室內(nèi)冷卻劑流場和通過流量板的流量分布的影響。姚朝暉[2]采用求解全三維N-S方程的有限體積法和兩方程RNG k-ε湍流模型對壓水堆環(huán)腔及下腔內(nèi)三維冷卻劑流動進(jìn)行了數(shù)值模擬。Ji Hwan Jeong[3]采用RSM湍流模型分析了韓國標(biāo)準(zhǔn)核電站反應(yīng)堆下降段和下腔室內(nèi)冷卻劑的流動情況，計算得到了水頭損失系數(shù)。C.Y.Wu[4]建立馬鞍山核電站反應(yīng)堆上腔室的完整模型，分析了上腔室區(qū)域的速度分布、壓力分布以及剪應(yīng)力分布。Gong Hee Lee[5]用CFD的方法分析了大小為真實(shí)反應(yīng)堆1/5的模型反應(yīng)堆內(nèi)冷卻劑的流動情況。雖然國內(nèi)外學(xué)者使用CFD方法已在反應(yīng)堆熱工水力數(shù)值模擬方法取得了豐碩的成果，但是采用CFD方法進(jìn)行反應(yīng)堆堆坑通風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)流場和溫度場的研究鮮少見到，本文建立真實(shí)堆坑通風(fēng)系統(tǒng)計算模型，計算和分析了不同EVC進(jìn)風(fēng)速度方向和不同進(jìn)風(fēng)參數(shù)下，反應(yīng)堆堆坑通風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)的流場及溫度場分布情況。

1 數(shù)值計算模型

1.1 系統(tǒng)模型

圖1是EVC系統(tǒng)內(nèi)空氣的流動示意圖，箭頭代表空氣在堆坑內(nèi)的流動軌跡。圖2是EVC的剖視三維圖，空氣從6根非均勻布置的進(jìn)風(fēng)管道流入，在下腔室混合后順著環(huán)形流道向上流動，通過堆坑縮頸區(qū)后流入上腔室，在上腔室攪渾后通過主管道保溫層與混凝土之間的環(huán)形通道流出?；炷羶?nèi)壁上附有一層預(yù)埋鋼板，環(huán)形流道內(nèi)布置著196個用來固定保溫層的保溫層支承件，保溫層支承件總共有7層，每層均勻分布28個，保溫層支承件總共有3種類型，最上層為Ⅴ號支承件，最下層為Ⅱ號支承件，中間5層為Ⅲ號支承件，保溫層支承件的三維建模圖如圖3所示。

三維幾何模型采用Pro/Engineer軟件進(jìn)行建模，模型中的幾何構(gòu)件包括混凝土、預(yù)埋鋼板、保溫層、保溫層支承件和壓力容器支承環(huán)等。對整個堆坑系統(tǒng)進(jìn)行建模時，采取固體域和流體域分開建模的方式，在不影響計算精度的前提下，對堆坑內(nèi)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮喕幚怼?/p>

1.2 湍流模型

反應(yīng)堆堆坑內(nèi)的空氣流動采用求解全三維Navier-Stokes方程進(jìn)行模擬，具體見文獻(xiàn)[2]。目前在計算流體力學(xué)對于湍流模擬的方法中，使用較多的有k-ε模型、k-w模型、RSM模型和SST模型，由于堆坑通風(fēng)系統(tǒng)流體域中錨固件附近存在層流運(yùn)動，因此選用適應(yīng)性良好的SST模型。

1.3 網(wǎng)格劃分及邊界條件

本研究的計算域包括固體域和流體域，對固體域和流體域分開劃分網(wǎng)格，同時由于幾何模型龐大，固體域和流體域又各自分為若干部分，在CFD求解器中進(jìn)行交接面的縫合。對于形狀規(guī)則幾何模型采取六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，例如混凝土;對于幾何形狀復(fù)雜的區(qū)域采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格;網(wǎng)格質(zhì)量均能滿足計算要求。

為驗(yàn)證網(wǎng)格獨(dú)立性解，分別建立3套網(wǎng)格進(jìn)行計算，數(shù)量分別為7975000，17569700和31669679。在高度8.5m截面處取了八個節(jié)點(diǎn)，在CFX-POST后處理中導(dǎo)出數(shù)據(jù)分別對于三套網(wǎng)格的結(jié)果進(jìn)行對比。如圖4所示，可以看出，第二套網(wǎng)格和第三套網(wǎng)格計算出來的結(jié)果非常接近，其最大誤差為6%，從而驗(yàn)證了網(wǎng)格獨(dú)立性解。本次計算選取第二套網(wǎng)格（17569700）進(jìn)行計算。

本研究選取最穩(wěn)健的邊界條件，即：

1）入口邊界條件包括：給定入口溫度和速度，具體如表 1所示，湍流強(qiáng)度均設(shè)為中等水平5%。

2）出口邊界條件主要包括出口靜壓，設(shè)置參考壓力為1atm，由于功率運(yùn)行條件下安全殼內(nèi)壓力為-200Pa，故設(shè)置出口平均靜壓為-200Pa。

3）混凝土外壁設(shè)置為與安全殼內(nèi)同樣的溫度40℃。流體與固體接觸的面設(shè)置為Interface進(jìn)行耦合傳熱計算，Interface的類型為GGI模式。

對于其余的流體域表面設(shè)定為無滑移（No Slip Wall）、光滑（Smooth Wall）表面。

2 結(jié)果和分析

2.1 不同進(jìn)風(fēng)方向?qū)ι仙嗡俣确植嫉挠绊?/p>

由于進(jìn)風(fēng)管道分布不均勻，上升段環(huán)形區(qū)域內(nèi)的速度分布必定不均勻。分別分析入口速度為法線方向、與法線夾角30°、與法線夾角45°和與法線夾角60°這四種工況下上升段的速度分布，如圖5所示。

在上述4種情況下堆坑通風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)流體域的流線圖，如圖6所示。從流線圖可以看出，速度為法線方向時，空氣在下腔室攪渾后流入主流區(qū)，當(dāng)速度與法線存在夾角時，空氣在下腔室會發(fā)生漩渦，空氣從進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入后旋轉(zhuǎn)向上流動，直至接觸到第一層錨固件阻擋后停止旋轉(zhuǎn)流動，順著流道向上流動，而且隨著角度的增大，漩渦越明顯，旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度越大。

圖7為在上述4種情況下高度8.5m處截面（如圖4a所示）的速度分布云圖，由于錨固件的阻擋，速度分布均呈不均勻變化，當(dāng)速度為法線方向和與法線夾角45°時，速度分布較為相似，有錨固件阻擋的流道速度較小，沒有錨固件的流道速度較大。當(dāng)速度與法線夾角30°和60°時，最大速度出現(xiàn)的位置較為一致，均在與X軸夾角40°和220°左右的位置。

下面定量分析高8.5m處截面速度分布均勻性，導(dǎo)出不同速度方向條件下的高8.5m處截面速度，并對速度進(jìn)行無量綱化，即所有速度除以平均速度。圖4a為截面坐標(biāo)定義圖，x軸正方向?yàn)?度，沿順時針方向旋轉(zhuǎn)。我們以平均速度的±30%來判定速度的均勻程度，可以明顯看出，速度為法線方向和與法線夾角45°時，速度分布較為均勻，都在平均值的上下±30%范圍內(nèi)波動，而速度與法線夾角30°和60°時，速度分布均超出平均速度的±30%。此外，計算可知速度為法線方向、與法線夾角30°、45°和60°時高8.5m處截面速度的標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.2525m/s、0.2528m/s、0.2253m/s和0.2662m/s，由此可以看出速度與法線夾角45°時8.5m處截面的速度分布最為均勻。

2.2 不同送風(fēng)參數(shù)對堆坑通風(fēng)系統(tǒng)的影響

由2.1節(jié)分析可知進(jìn)風(fēng)速度與法線夾角45°時上升段速度分布最為均勻，下面分析進(jìn)風(fēng)參數(shù)分別如表 1時，堆坑內(nèi)部的溫度分布情況，由表1可以看出，從送風(fēng)參數(shù)1到送風(fēng)參數(shù)3，送風(fēng)溫度依次升高，送風(fēng)量逐漸增大。

如圖9到圖11所示是不同進(jìn)風(fēng)參數(shù)下預(yù)埋鋼板的溫度分布，可以看出不同送風(fēng)溫度和送風(fēng)量下，預(yù)埋鋼板的溫度分布云圖非常相似，但是預(yù)埋鋼板的溫度范圍卻有所不同，由圖12可知隨著送風(fēng)溫度的升高以及送風(fēng)量的增大，預(yù)埋鋼板的最高溫度和最低溫度都在升高，而且最低溫度升高的趨勢比最高溫度升高的趨勢更明顯。由此可知，送風(fēng)溫度對堆坑內(nèi)溫度的影響大于送風(fēng)量的影響。

在EVC系統(tǒng)中，空氣的主要作用就是帶走堆坑內(nèi)各個散熱部件的熱量，保證其溫度不超過限值，以確保反應(yīng)堆的安全運(yùn)行。下面將三組通風(fēng)參數(shù)下堆坑內(nèi)保溫層的散熱量列于下表2中，可以看出，隨著送風(fēng)溫度的升高和送風(fēng)量的增大，保溫層的散熱量都有所增加。

2.3 整體分析

下面分析在送風(fēng)參數(shù)2的情況下堆坑內(nèi)的流場和溫度場分布情況。如圖13所示，空氣從進(jìn)風(fēng)口流入，在下腔室旋轉(zhuǎn)攪渾后向上流動，空氣沿高度方向壓力逐漸降低。

如圖14所示，由于空氣從下至上溫度逐漸升高，冷卻能力逐漸減弱，故預(yù)埋鋼板溫度從下至上逐漸升高。由于錨固件的直接導(dǎo)熱，預(yù)埋鋼板上出現(xiàn)如圖所示的高溫?zé)狳c(diǎn)。最高溫度出現(xiàn)在最高層錨固件直接導(dǎo)熱的位置，此處空氣的冷卻能力最差，導(dǎo)致錨固件和預(yù)埋鋼板的最高溫度都出現(xiàn)在此，預(yù)埋鋼板的最高溫度為40.35℃，沒有達(dá)到要求的溫度限值65℃，在安全范圍內(nèi)。

圖15為與壓力容器支承環(huán)接觸的混凝土表面溫度，由于支承環(huán)上方為主管道的熱管道，此處出現(xiàn)混凝土的最高溫度，最高溫度為45.95℃，在安全范圍內(nèi)。

3 結(jié)論

本文通過建立某三代壓水堆的堆坑通風(fēng)系統(tǒng)完整的計算模型，對系統(tǒng)內(nèi)部流場以及溫度場進(jìn)行了數(shù)值分析，重點(diǎn)關(guān)注了關(guān)鍵部位的溫度場，結(jié)論如下。

1）分析了不同堆坑通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)方向?qū)ι仙嗡俣确植嫉挠绊?，得到?dāng)進(jìn)風(fēng)速度方向與法線夾角45°時上升段速度分布最均勻。

2）預(yù)埋鋼板的最高溫度是由保溫層支承件的導(dǎo)熱所致，最高溫度沒有達(dá)到設(shè)計極限溫度65℃，對反應(yīng)堆安全運(yùn)行有利。

3）混凝土的最高溫度是由支撐環(huán)的導(dǎo)熱所致，最高溫度沒有達(dá)到設(shè)計極限溫度;混凝土外界溫度高于堆坑內(nèi)部氣流溫度，所以熱量從外部向內(nèi)部傳播。

【參考文獻(xiàn)】

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