基于CFD計(jì)算的核電廠半管水位運(yùn)行工況余排接管入口渦流吸氣效應(yīng)研究

沈云?！≮w禹　張玉龍　賴建永　王保平

【摘 要】核電廠半管水位運(yùn)行工況期間，余熱排出系統(tǒng)與主管道連接的管道入口可能發(fā)生渦流吸氣現(xiàn)象導(dǎo)致氣體進(jìn)入余排管道，影響余排泵的效率甚至造成余排泵氣蝕損壞，進(jìn)而導(dǎo)致余熱導(dǎo)出能力失效。本文基于成熟的核電廠余排管道入口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用CFD的方法對(duì)不同形式的余排管道入口流動(dòng)情況進(jìn)行模擬仿真計(jì)算分析，并對(duì)半管水位、余排流量等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了對(duì)比分析，一定程度上為余排接管入口防渦流吸氣的設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)。

【關(guān)鍵詞】核電廠；半管水位運(yùn)行工況；渦流吸氣；CFD；模擬仿真

CFD simulation on Vortex and air-ingestion phenomenon at the junction of residual heat removal system （RHR） during mid-loop operation at nuclear power plant

SHEN Yun-hai ZHAO Yu ZHANG Yu-long LAI Jian-yong WANG Bao-ping

（Science and Technology on Reactor System Design Technology Laboratory， Nuclear Power Institute of China， Chengdu Sichuan 610041， China）

【Abstract】Vortex and air-ingestion phenomenon may happen at junction of residual heat removal system （RHR） and primary pipe during mid-loop operation at nuclear power plant. Vortex and air-ingestion phenomenon leading to gas go inside RHR pipe can influence the efficiency of RHR pump， even damage the pump by cavitation and result in ability of removing heat of reactor lose finally. CFD were used to simulate fluid field at the junction， and analyse the parameter of fluid field such as level of mid-loop and flow rate. This article is base on mature design of structural of RHR junction， and it can help to design of preventing Air-ingestion phenomenon.

【Key words】Nuclear power plant； Mid-loop operation； Vortex and air-ingestion； CDF； Simulate analysis

0 前言

核電廠“半管水位運(yùn)行”是指在核電站正常停堆換料期間，反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)中整體水位根據(jù)蒸汽發(fā)生器檢修操作需要下降到接近熱管段半管高度時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)余熱排出系統(tǒng)（RHR）與RCS系統(tǒng)連通，通過余熱排出泵持續(xù)將堆芯余熱導(dǎo)至余排熱交換器二次側(cè)。

理論研究結(jié)果和工程運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)都表明，“半管水位運(yùn)行”期間主管道熱段的余排接管嘴附近可能會(huì)發(fā)生渦流吸氣問題，空氣進(jìn)入余排管道對(duì)余排泵的性能以及整個(gè)余排系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)有不利的影響。

本文基于目前成熟的核電廠余排管道入口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用CFD軟件對(duì)不同形式的余排入口流動(dòng)情況進(jìn)行模擬仿真計(jì)算分析，同時(shí)對(duì)半管水位、流量參數(shù)等關(guān)健參數(shù)進(jìn)行了對(duì)比分析，確定了渦流效應(yīng)的影響因素，一定程度上為余排接管入口防渦流吸氣的設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)。

1 物流吸氣效應(yīng)原理及CFD計(jì)算適用性分析

1.1 渦流吸氣效應(yīng)原理

這種可能發(fā)生在余熱排出系統(tǒng)入口管道處的漩渦屬于典型的自由表面漩渦現(xiàn)象，在很多工程中都很常見?，F(xiàn)階段在理論上對(duì)于這種漩渦的發(fā)生的物理機(jī)理還沒有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，工程上一般認(rèn)為是由于不均勻的來流本身存在一定的漩渦，漩渦隨著流動(dòng)發(fā)展在入口附近聚集增強(qiáng)，逐漸發(fā)展成為較強(qiáng)的漩渦。漩渦的產(chǎn)生會(huì)導(dǎo)致漩渦中心處的流體壓強(qiáng)減小，同時(shí)入口處流體本身具有一定的流速也將導(dǎo)致該處壓強(qiáng)減小，這兩個(gè)因素帶來的中心流體壓強(qiáng)的減小會(huì)使入口中心附近的液面下凹，進(jìn)而出現(xiàn)吸氣問題。

1.2 CFD計(jì)算適用性分析

對(duì)于這種可能發(fā)生在余熱排出系統(tǒng)入口管道處的渦流吸氣效應(yīng)，目前核電工程上主要通過試驗(yàn)研究來進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證。

通過CFD模擬計(jì)算來對(duì)這個(gè)問題進(jìn)行研究主要存在兩方面的問題：（1）CFD模擬計(jì)算中不能準(zhǔn)確的考慮不均勻來流本身存在的漩渦強(qiáng)度；（2）這類自由表面渦流吸氣問題涉及到渦間的非線性作用等深層次的物理過程，CFD模擬計(jì)算對(duì)于該問題的準(zhǔn)確模擬還比較困難?？偟目磥?，現(xiàn)階段的CFD模擬計(jì)算手段可以較好考慮余排管道入口處流體因大流速而帶來的壓強(qiáng)減小，但不能很好考慮漩渦聚集帶來的壓強(qiáng)減小，所以計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況將存在一定的偏差，偏差的大小由具體問題決定。

但對(duì)于余熱排出系統(tǒng)入口管道處發(fā)生的自由表面渦流吸氣問題，由于主管道熱管段內(nèi)的流場(chǎng)較為均勻，實(shí)際流場(chǎng)中的漩渦強(qiáng)度較小。通過CFD模擬計(jì)算可以在一定程度上反映實(shí)際的流動(dòng)情況，可用于對(duì)于問題的初步分析。

2 CFD模擬計(jì)算

2.1 計(jì)算方法

基于FLUENT14.5軟件，結(jié)合VOF方法對(duì)該問題進(jìn)行模擬計(jì)算，湍流模型選擇SST-CC模型。主管道及余排接管的模型建立參考成熟核電廠的余排接管形式及結(jié)構(gòu)參數(shù)，詳見圖1。

（a）等徑余排入口管道布置在主管道熱段底部

（b）等徑余排入口管道布置在主管道熱段側(cè)部

圖1 計(jì)算模型幾何結(jié)構(gòu)圖

綜合考慮工程中的實(shí)際流動(dòng)情況以及模擬計(jì)算需要，計(jì)算的物理過程和邊界條件設(shè)置取結(jié)構(gòu)（a）的某一剖面為代表說明，如圖2所示：

1）主管道熱段內(nèi)初始具有一定高度的水位h（m）（即半管水位，用和主管道直徑D的百分比表示）；

2）圖中紅色區(qū)域表示水占據(jù)的位置，藍(lán)色區(qū)域表示氣占據(jù)的位置；

3）主管道熱段左端為流動(dòng)的入口，設(shè)為速度邊界，底部細(xì)管（余熱排出系統(tǒng)接管）為質(zhì)量出口邊界，出口流量為Q（m3/h），主管道熱段右端為封閉壁面；

4）計(jì)算中保證入口和出口流量相同，維持主管內(nèi)的主要液位（總水量）保持不變，通過瞬態(tài)計(jì)算得到流場(chǎng)趨于穩(wěn)定時(shí)的流動(dòng)情況。

圖2 流動(dòng)過程的邊界條件設(shè)置

針對(duì)不同的幾何結(jié)構(gòu)，選擇了不同的半管水位和余排流量進(jìn)行了計(jì)算比較，研究余排接管入口結(jié)構(gòu)，余排流量以及半管水位對(duì)于余排管道進(jìn)氣的影響，計(jì)算條件如表1所示：

表1 計(jì)算參數(shù)說明

2.2 計(jì)算結(jié)果

計(jì)算得到不同工況下的穩(wěn)定流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，以兩相密度圖判斷是否有氣體進(jìn)入余排管道，計(jì)算結(jié)果如下所示（為較好顯示結(jié)果，余排管道底部出口結(jié)構(gòu)采用中心截面顯示，側(cè)部出口采用壁面顯示）。

計(jì)算1：主管道熱段液位基本平穩(wěn)，余排管道入口附近只有很輕微的液面下陷，余排管道出口截面為純液相，無氣相（圖3）。

圖3

計(jì)算2：主管道熱段液位基本平穩(wěn)，余排管道入口附近有輕微的液面下陷，余排管道出口截面為純液相，無氣相（圖4）。

圖4

計(jì)算3：主管道熱段液位有一定波動(dòng)，余排管道入口附近有一定的液面下陷，余排管道出口截面為純液相，無氣相（圖5）。

圖5

計(jì)算4：主管道熱段液位有波動(dòng)，余排管道入口附近有較明顯的液面下陷，并伴隨著氣體進(jìn)入，余排管道出口截面大部分液相，有氣相摻雜（圖6）。

圖6

計(jì)算5：主管道熱段液位不平穩(wěn)，余排管道入口附近有很大的液面下陷，并伴隨著氣體進(jìn)入，余排管道出口截面有較多氣相。（注：由于余排管道入口混雜很多氣體，計(jì)算實(shí)際并未達(dá)到穩(wěn)定，出口流量為1820m3/h。）（圖7）

圖7

計(jì)算6：主管道熱段液位不平穩(wěn)，余排管道入口附近有很大的液面下陷，并伴隨著氣體進(jìn)入，余排管道出口截面大部分為氣相。（注：由于余排管道入口在較低流量下就已混雜很多氣體，計(jì)算實(shí)際并未達(dá)到穩(wěn)定，出口流量也只達(dá)到1038m3/h左右。）（圖8）

圖8

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

從計(jì)算1和2的結(jié)果可以看到，在核電廠實(shí)際半管水位工況對(duì)應(yīng)的半管水位高度、余排流量下，兩種連接形式的余排管道入口附近的液面均基本平穩(wěn)，余排管道內(nèi)無氣相，能良好的避免余熱管道入口渦流吸氣現(xiàn)象發(fā)生。

從計(jì)算1和3以及計(jì)算2和4的結(jié)果對(duì)比可以看到，隨著余排流量增大，余排管道入口附近的液面會(huì)有一定下陷，存在氣體進(jìn)入余排管道的可能。這是由于流量增大，余排管道入口附近流速也較大，根據(jù)伯努利原理，其壓強(qiáng)相對(duì)較小，液面會(huì)有較明顯的下陷現(xiàn)象，更容易導(dǎo)致氣體進(jìn)入余排管道。

從計(jì)算3和4的結(jié)果對(duì)比可以看到，余排管道入口布置在主管道熱段側(cè)部相比于布置在底部的情況，其主管道內(nèi)主液面相對(duì)余排管道入口的距離更近，同時(shí)局部液面的流速會(huì)相對(duì)較高，液面下陷的現(xiàn)象更明顯，將更容易導(dǎo)致氣體進(jìn)入余排管道。

從對(duì)比計(jì)算3和5以及計(jì)算4和6的結(jié)果可以看到，當(dāng)半管水位（即主管道內(nèi)液位）較低，主液位與余排管道入口距離較近時(shí)，余排接管入口處液面下陷現(xiàn)象十分明顯，氣體將隨著渦流進(jìn)入到余排管道內(nèi)。

綜上所述，通過采用CFD的方法對(duì)核電廠半管水位工況下余排管道入口出現(xiàn)的渦流吸氣效應(yīng)進(jìn)行計(jì)算模擬及對(duì)比分析，可以得到以下結(jié)論：

1）對(duì)于相同的余排接管形式，其主管道內(nèi)水位越低，余排流量越大，越容易在余排管道入口處形成渦流，氣體越容易隨渦流進(jìn)入余排管道；

2）在相同的主管道水位和余排流量的條件下，余排接管入口設(shè)在主管道側(cè)部相比于設(shè)在主管道底部，更容易形成渦流導(dǎo)致氣體進(jìn)入余排管道。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)核電廠“半管水位運(yùn)行”期間主管道熱段的余排接管嘴附近可能發(fā)生渦流吸氣問題，基于核電廠實(shí)際設(shè)計(jì)參數(shù)，采用CFD方法對(duì)兩種不同接管形式的余排入口流動(dòng)情況進(jìn)行模擬仿真計(jì)算分析，同時(shí)對(duì)半管水位、流量參數(shù)等關(guān)健參數(shù)進(jìn)行了敏感性分析，確定了渦流效應(yīng)的主要影響因素。在核電廠余排接管入口防渦流吸氣的設(shè)計(jì)上，一定程度上為后續(xù)新建機(jī)組設(shè)計(jì)、現(xiàn)役機(jī)組技術(shù)改造提供了理論指導(dǎo)。

[責(zé)任編輯：湯靜]