壓水堆堆坑通風系統(tǒng)熱工水力優(yōu)化分析

習蒙蒙　初曉　蔡容　鄭強

【摘 要】利用三維數(shù)值模擬方法，對某三代壓水堆堆坑通風系統(tǒng)內(nèi)的流場和溫度場進行了分析。研究了不同堆坑進風方向和不同進風參數(shù)條件下，反應堆堆坑通風系統(tǒng)內(nèi)的流場及溫度場分布情況。數(shù)值結(jié)果表明，堆坑進風方向與法線夾角45°時上升段速度分布最均勻，進風參數(shù)的溫度對堆坑溫度分布的影響大于進風量的影響。各組進風參數(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】堆坑通風系統(tǒng);三維數(shù)值模擬;溫度場

中圖分類號： TM623.91文獻標識碼： 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行或者熱停堆時，反應堆堆坑通風系統(tǒng)（EVC）投入運行，對反應堆壓力容器保溫層外表面、反應堆堆坑混凝土、堆外電離室、壓力容器支承環(huán)、包圍反應堆冷卻劑管道的混凝土通道實施冷卻。為了防止以上部件溫度超過限值，需要對EVC進行計算研究，得到系統(tǒng)內(nèi)部的流場和溫度場分布。

隨著計算機的發(fā)展和流體力學理論的完善，國內(nèi)外學者使用商用CFD軟件在反應堆熱工水力的數(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)三維冷卻劑流動進行了數(shù)值模擬。Ji Hwan Jeong[3]采用RSM湍流模型分析了韓國標準核電站反應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、壓力分布以及剪應力分布。Gong Hee Lee[5]用CFD的方法分析了大小為真實反應堆1/5的模型反應堆內(nèi)冷卻劑的流動情況。雖然國內(nèi)外學者使用CFD方法已在反應堆熱工水力數(shù)值模擬方法取得了豐碩的成果，但是采用CFD方法進行反應堆堆坑通風系統(tǒng)內(nèi)流場和溫度場的研究鮮少見到，本文建立真實堆坑通風系統(tǒng)計算模型，計算和分析了不同EVC進風速度方向和不同進風參數(shù)下，反應堆堆坑通風系統(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根非均勻布置的進風管道流入，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軟件進行建模，模型中的幾何構(gòu)件包括混凝土、預埋鋼板、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)進行了適當?shù)暮喕幚怼?/p>

1.2 湍流模型

反應堆堆坑內(nèi)的空氣流動采用求解全三維Navier-Stokes方程進行模擬，具體見文獻[2]。目前在計算流體力學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，由于堆坑通風系統(tǒng)流體域中錨固件附近存在層流運動，因此選用適應性良好的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。

為驗證網(wǎng)格獨立性解，分別建立3套網(wǎng)格進行計算，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，在CFX-POST后處理中導出數(shù)據(jù)分別對于三套網(wǎng)格的結(jié)果進行對比。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%，從而驗證了網(wǎng)格獨立性解。本次計算選取第二套網(wǎng)格（17569700）進行計算。

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 不同進風方向?qū)ι仙嗡俣确植嫉挠绊?/p>

由于進風管道分布不均勻，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，空氣從進風口進入后旋轉(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，導出不同速度方向條件下的高8.5m處截面速度，并對速度進行無量綱化，即所有速度除以平均速度。圖4a為截面坐標定義圖，x軸正方向為0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處截面速度的標準差分別為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 不同送風參數(shù)對堆坑通風系統(tǒng)的影響

由2.1節(jié)分析可知進風速度與法線夾角45°時上升段速度分布最為均勻，下面分析進風參數(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，從送風參數(shù)1到送風參數(shù)3，送風溫度依次升高，送風量逐漸增大。

如圖9到圖11所示是不同進風參數(shù)下預埋鋼板的溫度分布，可以看出不同送風溫度和送風量下，預埋鋼板的溫度分布云圖非常相似，但是預埋鋼板的溫度范圍卻有所不同，由圖12可知隨著送風溫度的升高以及送風量的增大，預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，送風溫度對堆坑內(nèi)溫度的影響大于送風量的影響。

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，以確保反應堆的安全運行。下面將三組通風參數(shù)下堆坑內(nèi)保溫層的散熱量列于下表2中，可以看出，隨著送風溫度的升高和送風量的增大，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，空氣從進風口流入，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，故預埋鋼板溫度從下至上逐漸升高。由于錨固件的直接導熱，預埋鋼板上出現(xiàn)如圖所示的高溫熱點。最高溫度出現(xiàn)在最高層錨固件直接導熱的位置，此處空氣的冷卻能力最差，導致錨固件和預埋鋼板的最高溫度都出現(xiàn)在此，預埋鋼板的最高溫度為40.35℃，沒有達到要求的溫度限值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行了數(shù)值分析，重點關(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系統(tǒng)進風方向?qū)ι仙嗡俣确植嫉挠绊?，得到當進風速度方向與法線夾角45°時上升段速度分布最均勻。

2）預埋鋼板的最高溫度是由保溫層支承件的導熱所致，最高溫度沒有達到設(shè)計極限溫度65℃，對反應堆安全運行有利。

3）混凝土的最高溫度是由支撐環(huán)的導熱所致，最高溫度沒有達到設(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】

[1]羅磊，章德，陳文振，等.壓水堆下腔室流量分布數(shù)值分析[J].原子能科學技術(shù)，2010，44（增刊）：187-191.

[2]姚朝暉，沈孟育，王學芳.壓水堆堆內(nèi)進口環(huán)腔及下腔室中冷卻劑三維流動的數(shù)值模擬[J].核科學與工程，1996，16[9]：229-234.

[3]Ji Hwan Jeong，Byoung-Sub Han.Coolant flow field in a real geometry of PWR downcomer and lower plenum.Annals of Nuclear Energy，2008，35，610-619.

[4]C.Y.Wu，Y.M.Ferng，C.C.Chieng，Z.C.Kang.CFD analysis for full vessel upper plenum in Maanshan Nuclear Power Plant.Nuclear Engineer and Design，2012，253，285-293.

[5]Gong Hee Lee，Chan Yi Song，Young Seok Bang.CFD Simulation of Reactor Internal Flow in the Scaled APR+.Journal of Energy and Power Engineering，2013，7，1533-1538.