姜曉霞， 趙云云

（哈爾濱汽輪機廠有限責任公司，哈爾濱150046）

0 引 言

汽水分離再熱器系統(tǒng)（GSS）是壓水堆核電站常規(guī)島系統(tǒng)的重要組成部分，蒸汽在高壓缸做功后，進入MSR內(nèi)，去除其中的水分，然后干燥的蒸汽向上依次經(jīng)過第一級和第二級再熱器進一步加熱，降低蒸汽的濕度，最后從MSR出口進入汽輪機的低壓缸做功。蒸汽進入MSR入口后，經(jīng)過復雜多變的流道，在到達汽水分離板前，形成了渦流，變得極不均勻，這大大降低了汽水分離的效果。為了達到理想的汽水分離效果，擬在分離板前加上蒸汽分配板，一方面消除掉渦流，另一方面通過控制板的結構使蒸汽均勻地進入分離板。然而，通過實驗的方法確定蒸汽分配板的結構，所需要的成本太高。因此本文擬通過對某項目的MSR蒸汽分配板數(shù)值模擬的結果與試驗結果進行對比，驗證數(shù)值模擬的正確性，為以后MSR蒸汽分配板結構設計提供指導。

1 數(shù)值模擬分析

本文主要分析MSR內(nèi)部蒸汽流動性能，不考慮傳熱的影響，而且需要分析MSR結構沿著圓周方向和長度方向對稱，因此本文選取整個MSR的1/4進行建模研究（如圖1）。本次建模主要考慮蒸汽分配板對蒸汽分配作用，所以波紋板、加熱器等模型在計算過程中只有流通作用，無分離和加熱作用。計算模型不含疏水管，并對MSR內(nèi)部的部分支撐板結構進行了簡化。蒸汽分配板結構按照圖樣的設計1：1建立模型。

圖1 MSR數(shù)值模型

1.1 邊界條件設置

模型進行了相關的主要簡化：定常流動；工質為用理想流體狀態(tài)方程描述的可壓縮氣體；單相模型，不考慮蒸汽中攜帶的水分；再熱器及分離板簡化為流體域，計算過程不考慮分離片的分離性能，不考慮再熱器的熱傳遞。

邊界條件的設定如下：1）入口邊界條件為速度入口，速度大小為30.165 m/s，則湍流強度為20%，水力直徑為1.2 m；2）出口邊界條件為壓力出口；3）軸向、圓周向對稱面為對稱面邊界條件，其余壁面為速度無滑移、無穿透邊界；4）工質為理想可壓縮氣體。

求解設置：1）選擇標準的k-ε湍流模型，選用基于密度的隱式算法；2）動量、k、ε的插值格式為一階迎風格式；3）動量、k、ε的松弛因子分別為0.7、0.8、0.8。

1.2 數(shù)值模擬結果

使用ICEM軟件進行結構化網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格的劃分參考為：邊界層第一層網(wǎng)格厚度為1 mm，最大網(wǎng)格尺度不超過20 mm。網(wǎng)格總數(shù)為2.4 ×108。使用Fluent進行數(shù)值模擬計算，當計算的殘差小于10-7，計算結果收斂。

整個MSR流場的流線圖如圖2所示。入口處的速度為30.165 m/s，整個流場的速度最大值為45 m/s，出現(xiàn)在入口不遠處。然后流場進一步發(fā)展進入較大的空間，速度顯著降低，分別從兩邊充滿整個水平的腔室，再從蒸汽分配窗向下進入蒸汽室，在蒸汽室內(nèi)蒸汽流速較為混亂，并有旋渦形成。而經(jīng)過蒸汽分配板之后，蒸汽流動變得均勻。隨后再依次以相對均勻的未有旋渦出現(xiàn)的速度流經(jīng)波紋板再熱器區(qū)域，最后流出出口。

圖2 MSR內(nèi)蒸汽流動圖

如圖3所示，分別截取了入口處、蒸汽分配板前、蒸汽分配板后等3個截面的速度分布值?？芍肟谔幷羝俣确植季鶆?，經(jīng)過入口部分的復雜流道后，在到達蒸汽分配板前速度分布極不均勻，并有渦流的形成。經(jīng)過蒸汽分配板后，速度分布均勻。

圖3 蒸汽流速分布圖

為了與某項目的實驗值進行對比，將蒸汽分配板后的截面按照圖4進行均分，各區(qū)域速度如圖5所示。整個截面的平均速度為3.54 m/s，蒸汽由于彎曲的殼體面產(chǎn)生離心速度，因此上部蒸汽速度大于下部蒸汽速度。各個位置的平均速度如表1所示。

圖4 蒸汽分配板測試點位置的劃分

圖5 數(shù)值模擬和試驗結果對比圖

2 蒸汽分配板性能試驗

使用空氣作為MSR蒸汽分配板的介質進行試驗，試驗模型是實際模型的1/5，同樣不考慮傳熱性能。試驗空氣進口速度與蒸汽一致，為30.165 m/s，試驗模型出口為大氣環(huán)境，在蒸汽分配板后0.1 m位置（按照圖4）布置測點。測試試驗數(shù)據(jù)如表2所示，平均流速為3.5 m/s，試驗數(shù)據(jù)中蒸汽分配板下部的蒸汽流速較大，這與數(shù)值模擬結果一致。

表1 蒸汽分配板各個位置蒸汽流速 m/s

表2 MSR蒸汽分配板測試結果 m/s

3 結果對比

通過表1和表2中的數(shù)據(jù)可知：數(shù)值模擬結果中平均速度為3.54 m/s，試驗結果平均速度為3.5 m/s，數(shù)值模擬的最大速度為4.11 m/s，速度均勻性為116%；試驗結果平均速度為3.5 m/s，最大速度為4.33 m/s，速度均勻性為123.7%。數(shù)值模擬的結果中速度分布規(guī)律與試驗的分布規(guī)律一致。沿著蒸汽分配板板長方向每個截面上的平均速度對比如圖5所示。

由于數(shù)值模擬計算的是每小塊區(qū)域的平均速度值，而試驗結果則是對應區(qū)域的其中一點的數(shù)據(jù), 所以數(shù)據(jù)上略有差別，但是數(shù)據(jù)平均值及速度變化趨勢是一致的。因此，總體來講，數(shù)值模擬結果和試驗結果都表明蒸汽分配板后蒸汽速度的均勻性較高，從而也驗證了采用本文方法模擬蒸汽分配板的性能是可行的，并且模擬的結果具有很強的指導意義。

4 結 論

本文通過使用UG軟件建立MSR模型，使用ICEM軟件劃分結構化網(wǎng)格，使用Fluent軟件計算了MSR蒸汽分配板的性能，并將模擬結果與試驗結果進行對比，結果表明數(shù)值分析的結果與試驗結果趨勢一致，速度平均值相差為0.04 m/s，驗證了數(shù)值模擬方法的正確性，為以后MSR蒸汽分配板的結構設計優(yōu)化工作提供了理論指導。