蒸汽發(fā)生器一次側(cè)流阻數(shù)值模擬研究

李磊等

【摘 要】采用CFD的方法，分別采用k-ε湍流模型和SST湍流模型對(duì)蒸汽發(fā)生器一次側(cè)流動(dòng)阻力進(jìn)行數(shù)值模擬，獲得了蒸汽發(fā)生器一次側(cè)入口段、U形管段及出口段的壓降，并將CFD計(jì)算結(jié)果與按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，提出了對(duì)經(jīng)驗(yàn)公式修正建議。

【關(guān)鍵詞】蒸汽發(fā)生器；一次側(cè)流動(dòng)阻力；數(shù)值模擬

0 前言

蒸汽發(fā)生器是壓水堆核電站的關(guān)鍵設(shè)備，是核電廠一、二次側(cè)的重要樞紐。在壓水堆核電廠中蒸汽發(fā)生器一次側(cè)阻力約占反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)總流動(dòng)阻力的40%左右[1]，因此，準(zhǔn)確的計(jì)算蒸汽發(fā)生器一次側(cè)阻力對(duì)反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的水力計(jì)算和系統(tǒng)布置具有重要意義。

在蒸汽發(fā)生器的工程設(shè)計(jì)中，通常采用專用熱工水力程序進(jìn)行蒸汽發(fā)生器的水力計(jì)算，如嶺澳核電站55/19型蒸汽發(fā)生器采用GVSPA程序進(jìn)行蒸汽發(fā)生器一次側(cè)流阻計(jì)算，秦山二期核電站60F蒸汽發(fā)生器采用GENF程序進(jìn)行一次側(cè)流阻計(jì)算。在上述專用程序中，流動(dòng)阻力采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，利用經(jīng)驗(yàn)公式手冊(cè)查得對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)的流動(dòng)阻力關(guān)系式，通過簡(jiǎn)化完成壓降計(jì)算。這種計(jì)算方法需對(duì)應(yīng)于特定結(jié)構(gòu)，針對(duì)性較強(qiáng)。目前隨著CFD技術(shù)的成熟，有學(xué)者采用CFD手段開展了蒸汽發(fā)生器一次側(cè)流動(dòng)特性研究[2]。

本文針對(duì)AP1000核電站蒸汽發(fā)生器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用經(jīng)驗(yàn)公式方法和CFD方法對(duì)蒸汽發(fā)生器一次側(cè)流阻進(jìn)行了計(jì)算，并對(duì)兩種方法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分析和討論。

1 經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算

針對(duì)AP1000蒸汽發(fā)生器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，蒸汽發(fā)生器一次側(cè)流動(dòng)阻力可分為5個(gè)部分進(jìn)行計(jì)算，如圖1所示。其中包括一次側(cè)入口接管突擴(kuò)局部阻力K1、一次側(cè)出口接管突縮局部阻力K5、傳熱管入口突縮局部阻力K2、傳熱管出口突擴(kuò)局部阻力K4和傳熱管阻力K3。

蒸汽發(fā)生器流阻計(jì)算相關(guān)參數(shù)可由蒸汽發(fā)生器穩(wěn)態(tài)熱工水力計(jì)算獲得。

采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算時(shí)，選用不同的摩擦阻力系數(shù)計(jì)算公式，摩擦阻力系數(shù)略有差別，但最大差值為3.1%，在工程計(jì)算誤差可接受范圍內(nèi)。

2 數(shù)值模擬計(jì)算

2.1 幾何模型

由于蒸汽發(fā)生器傳熱管數(shù)量眾多，且傳熱管長(zhǎng)度較長(zhǎng)，橫向和縱向尺度差別大，如果對(duì)蒸汽發(fā)生器一次側(cè)整體進(jìn)行數(shù)值模擬，則會(huì)由于網(wǎng)格數(shù)目過于巨大，難以實(shí)現(xiàn)，因此本文將蒸汽發(fā)生器分為進(jìn)口部分、傳熱管部分和出口部分，分別進(jìn)行模擬，最后將結(jié)果相加獲得總壓降。

圖2為進(jìn)口部分流體區(qū)域，與進(jìn)口部分相連接的傳熱管截取高度為150mm，內(nèi)徑為15.4mm，這樣高度大約為內(nèi)徑的10倍，可以保證流體充分發(fā)展而不受進(jìn)口條件的影響。出口部分流體域的確定采用類似方法，傳熱管截取高度為150mm。

2.2 網(wǎng)格劃分

本文利用Ansys中的ICEM CFD進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)于變徑面以及弧面進(jìn)行了局部網(wǎng)格加密，對(duì)于管束區(qū)的網(wǎng)格通過網(wǎng)格拉伸完成，對(duì)和流體流向不垂直的壁面添加了附面層網(wǎng)格。進(jìn)口部分總網(wǎng)格數(shù)為4986萬，出口部分總網(wǎng)格數(shù)為2400萬。

工程實(shí)際中傳熱管的數(shù)量巨大，難以按照實(shí)際情況進(jìn)行模擬，傳熱管沿程壓降利用最短一根傳熱管和最長(zhǎng)的一根傳熱管進(jìn)行數(shù)值模擬，通過求取二者壓降的平均值作為U型傳熱管的壓降損失。最短的U型管的網(wǎng)格總數(shù)為274300，最長(zhǎng)的U型管的網(wǎng)格總數(shù)為386960。

2.3 邊界條件

蒸汽發(fā)生器發(fā)生器一次側(cè)進(jìn)口部分水的溫度和壓力基本相同，且下封頭不存在熱交換，因此可采用絕熱模型，流體區(qū)域內(nèi)水的物性參數(shù)根據(jù)進(jìn)口部分水的物性參數(shù)確定。進(jìn)口流速為v=23m/s，溫度T=321℃。

蒸汽發(fā)生器發(fā)生器一次側(cè)出口部分同樣可采用絕熱模型，流體區(qū)域內(nèi)水的物性參數(shù)根據(jù)出口處水的物性參數(shù)確定。

蒸汽發(fā)生器傳熱管需要與二次側(cè)進(jìn)行熱交換，U形換熱管數(shù)量巨大，導(dǎo)致?lián)Q熱量較大，但是單根傳熱管內(nèi)冷卻劑的溫度并沒有發(fā)生很大改變，因此傳熱管內(nèi)冷卻劑的物性參數(shù)根據(jù)進(jìn)出口處水的平均溫度給定，根據(jù)傳熱管內(nèi)平均流速給定入口流速。

2.4 計(jì)算模型

本文將蒸汽發(fā)生器一次側(cè)分為3部分進(jìn)行數(shù)值模擬，單獨(dú)考慮進(jìn)口部分或出口部分，流體溫差不大，且為單相液體流，水的密度近似為常數(shù)。因此，蒸汽發(fā)生器一次各部分側(cè)流場(chǎng)可視為三維定常不可壓粘性等溫流場(chǎng)。湍流模型分別選用k-ε湍流和SST湍流模型。本計(jì)算中的壓力為相對(duì)壓力。

2.5 計(jì)算結(jié)果及分析

2.5.1 局部流動(dòng)特性

從計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采用k-ε和SST這兩種湍流模型對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不大，兩種計(jì)算模型的總壓降差值僅約為3.2%，屬于工程計(jì)算誤差可接受范圍，下文以k-ε模型的結(jié)果為例進(jìn)行說明。

蒸汽發(fā)生器一次側(cè)進(jìn)口部分總壓力分布和速度矢量圖如圖3和圖4所示。由圖3的進(jìn)口總壓力分布可以看出下封頭的進(jìn)口接管至傳熱管的壓降較大，說明進(jìn)口部分阻力較大。

蒸汽發(fā)生器一次側(cè)出口部分總壓力分布如圖5所示。由圖5可以看出傳熱管至下封頭的出口接管的壓降不是很大，說明出口部分阻力很小。

2.5.2 傳熱管流動(dòng)特性

因?yàn)閭鳠峁苁L(zhǎng)短不一，由于條件所限，無法對(duì)傳熱管全部進(jìn)行模擬，本文根據(jù)傳熱管內(nèi)平均流速給定入口流速。分別對(duì)最短的和最長(zhǎng)的傳熱管進(jìn)行了數(shù)值模擬，并將二者的模擬結(jié)果取平均值作為傳熱管的壓降。

3 結(jié)果分析

3.1 阻力分布

采用經(jīng)驗(yàn)公式法和CFD方法計(jì)算得出的蒸汽發(fā)生器一次側(cè)各部分阻力占總流阻的百分比如圖6和圖7所示。從圖中可知，蒸汽發(fā)生器一次側(cè)阻力主要是傳熱管的沿程阻力，約占蒸汽發(fā)生器一次側(cè)阻力的65%（CFD方法）和51.1%（經(jīng)驗(yàn)公式法），這是因?yàn)閭鳠峁荛L(zhǎng)度較長(zhǎng)，導(dǎo)致沿程阻力較大；其次是進(jìn)口部分的阻力，占一次側(cè)阻力的31%（CFD方法）和37.3%（經(jīng)驗(yàn)公式法）；出口部分的阻力相對(duì)較低，僅占一次側(cè)阻力的4%（CFD方法）和9%（經(jīng)驗(yàn)公式法）。

蒸汽發(fā)生器一次側(cè)進(jìn)口阻力大于蒸汽發(fā)生器一次側(cè)出口阻力，這是因?yàn)檎羝l(fā)生器一次側(cè)進(jìn)口流速較大，且突擴(kuò)結(jié)構(gòu)的局部阻力系數(shù)相比突縮結(jié)構(gòu)的局部阻力系數(shù)大。

3.2 兩種方法阻力計(jì)算結(jié)果的比較及分析

CFD方法和經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算的蒸汽發(fā)生器一次側(cè)各部分壓降對(duì)比如圖8所示，其中ΔP1為CFD方法計(jì)算壓降平均值，ΔP2為經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算的壓降。由圖可知，采用CFD方法計(jì)算的傳熱管壓降和采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的傳熱管壓降計(jì)算結(jié)果非常接近，差值約為4%。說明本文在傳熱管流阻數(shù)值模擬時(shí)，采用的方法是可靠的。

對(duì)于蒸汽發(fā)生器進(jìn)口部分及出口部分的壓降，采用CFD方法的計(jì)算結(jié)果和采用經(jīng)驗(yàn)公式法的計(jì)算結(jié)果相差較大。采用CFD方法計(jì)算的進(jìn)口部分壓降為經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算結(jié)果的61%，采用CFD方法計(jì)算的出口部分壓降為經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算結(jié)果的29%，其原因分析如下：

1）經(jīng)驗(yàn)公式法中，計(jì)算進(jìn)口部分和出口部分的阻力系數(shù)時(shí)，采用的是突擴(kuò)和突縮結(jié)構(gòu)的阻力系數(shù)計(jì)算公式，該計(jì)算公式是基于狹窄管道截面上流體速度均勻分布和湍流的情況下得出的，該局部阻力系數(shù)取決于窄面積與寬面積的比值。蒸汽發(fā)生器的進(jìn)、出口均位于球封頭上，因此并不屬于典型的突擴(kuò)、突縮結(jié)構(gòu)。典型的突擴(kuò)和突縮結(jié)構(gòu)在流動(dòng)面積變化處均形成強(qiáng)烈漩渦，正是這種漩渦存在導(dǎo)致能量耗散從而產(chǎn)生壓降。從蒸汽發(fā)生器進(jìn)口和出口部分流場(chǎng)可知，在進(jìn)口和出口處未存在強(qiáng)烈旋渦。

2）對(duì)于蒸汽發(fā)生器出口部分，由于存在兩個(gè)出口，在經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算中，采用的是等效截面積方法按突縮結(jié)構(gòu)計(jì)算局部阻力系數(shù)。這種處理方法導(dǎo)致使用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的出口部分壓降計(jì)算結(jié)果與CFD方法計(jì)算結(jié)果存在較大差別。

總體來說，采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算蒸汽發(fā)生器進(jìn)、出口部分阻力是一種偏保守的方法。對(duì)于蒸汽發(fā)生器進(jìn)、出口這種特定結(jié)構(gòu)的局部阻力系數(shù)，目前無特定的經(jīng)驗(yàn)公式可用，因此，可在突擴(kuò)和突縮結(jié)構(gòu)阻力系數(shù)計(jì)算公式的基礎(chǔ)上進(jìn)行必要的修正，以適應(yīng)蒸汽發(fā)生器進(jìn)口和出口的特定結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)論

1）分別采用經(jīng)驗(yàn)公式法和CFD方法對(duì)蒸汽發(fā)生器一次側(cè)阻力進(jìn)行計(jì)算，其中傳熱管沿程阻力占一次側(cè)阻力的主要部分。

2）采用CFD方法計(jì)算阻力時(shí)，采用不同湍流模型對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較小。

3）CFD方法模擬傳熱管壓降與經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算結(jié)果吻合良好。

4）采用經(jīng)驗(yàn)公式方法計(jì)算進(jìn)出口阻力與CFD方法計(jì)算結(jié)果差別較大，在使用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算蒸汽發(fā)生器進(jìn)出口阻力時(shí)，應(yīng)進(jìn)行必要修正，修正系數(shù)的確定可根據(jù)CFD模擬結(jié)果并結(jié)合實(shí)測(cè)結(jié)果確定。

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[責(zé)任編輯：劉展]