蒸汽發(fā)生器二次側(cè)兩相流傳熱特性數(shù)值研究

劉 樂，黃 禹，徐良旺

(深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司上海分公司，上海200241)

蒸汽發(fā)生器二次側(cè)兩相流傳熱特性數(shù)值研究

劉 樂，黃 禹，徐良旺

(深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司上海分公司，上海200241)

以AP1000核電站蒸汽發(fā)生器為原型，建立蒸汽發(fā)生器二次側(cè)“平均通道”模型，利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件ANSYS CFX，基于相界面模型對蒸汽發(fā)生器二次側(cè)兩相流流動(dòng)和沸騰換熱過程進(jìn)行研究。結(jié)果表明：數(shù)值模擬計(jì)算方法能準(zhǔn)確模擬蒸汽發(fā)生器二次側(cè)汽液兩相流沸騰和傳熱過程；滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，流體由預(yù)熱區(qū)經(jīng)過泡核沸騰區(qū)過渡到穩(wěn)定沸騰區(qū)，含汽率和傳熱系數(shù)沿流動(dòng)方向逐漸增大，出口含汽率與該型號蒸汽發(fā)生器設(shè)計(jì)值符合較好，平均傳熱系數(shù)的模擬結(jié)果和Jens&Lottes經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式的預(yù)測值基本一致。

蒸汽發(fā)生器；CFX；汽液兩相流；傳熱特性

蒸汽發(fā)生器(SG)作為壓水堆核電站的關(guān)鍵設(shè)備，在核反應(yīng)堆熱力系統(tǒng)中起到重要的作用。首先，它是一個(gè)熱交換設(shè)備，將反應(yīng)堆的熱能傳遞給二回路介質(zhì)以產(chǎn)生蒸汽；其次，它是一、二次側(cè)介質(zhì)的隔離屏障，對放射性有屏蔽作用，把放射性污染保留在一回路系統(tǒng)內(nèi)。蒸汽發(fā)生器運(yùn)行中伴隨著汽液兩相流流動(dòng)和沸騰換熱的過程，沸騰傳熱過程中容易出現(xiàn)傳熱管的振動(dòng)、磨損、交變熱應(yīng)力甚至破損現(xiàn)象，影響蒸汽發(fā)生器的安全性和可靠性[1]。因此，研究蒸汽發(fā)生器二次側(cè)汽液兩相流沸騰傳熱特性有十分重要的意義。

目前，國內(nèi)外對蒸汽發(fā)生器二次側(cè)汽液兩相流傳熱特性開展了十分廣泛的研究[2,3]，由于試驗(yàn)條件和蒸汽發(fā)生器的實(shí)際運(yùn)行工況相差甚遠(yuǎn)，并且受試驗(yàn)測量方法的局限，所以通過實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)在蒸汽發(fā)生器的研究方面有很大的局限性；叢騰龍[4]等人采用多孔介質(zhì)模型，對蒸汽發(fā)生器二次側(cè)流體熱工水力特性做CFD研究，但多孔介質(zhì)方法并不能對蒸汽發(fā)生器沸騰區(qū)域進(jìn)行精細(xì)模擬。鑒于此，本文利用ANSYS CFX 計(jì)算軟件，以研究蒸汽發(fā)生器二次側(cè)汽液兩相流沸騰傳熱特性為目的，對AP1000蒸汽發(fā)生器二次側(cè)流動(dòng)沸騰現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)值模擬，研究蒸汽發(fā)生器二次側(cè)汽液兩相流的傳熱特性，探究分析蒸汽發(fā)生器汽液兩相流動(dòng)和沸騰換熱的方法。

1 幾何模型和網(wǎng)格劃分

AP1000核電站Delta-125型蒸汽發(fā)生器傳熱管采用正三角形布置，這種排列方式比正方形布置更為緊湊，在管束區(qū)的單位體積內(nèi)允許配置更大的傳熱面積。為了簡化蒸汽發(fā)生器幾何模型，取長度為平均長度的傳熱管為中心，建立以蒸汽發(fā)生器二次側(cè)區(qū)域?yàn)檠芯繉ο蟮摹捌骄ǖ馈比S幾何模型。該模型包括1根U形傳熱管外壁面和相鄰6根U形傳熱管部分外壁面，以及它們圍成的流體區(qū)域，如圖1所示。管徑17.48mm、壁厚1.01mm，管中心距為24.9mm，直管段長度9.892m，彎管半徑為0.991m。

圖1 “平均通道”幾何模型Fig.1 “Average channel” geometry

本文采用ICEM軟件對“平均通道”進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格，對近壁面流體邊界層網(wǎng)格進(jìn)行局部網(wǎng)格加密，邊界層高度比率為1.2，劃分網(wǎng)格后約62萬個(gè)六面體單元，70萬個(gè)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)格環(huán)繞球體比率大于0.8，網(wǎng)格質(zhì)量良好。

圖2 “平均通道”網(wǎng)格Fig.2 “Average channel” mesh

2 計(jì)算模型及模擬工況

2.1 相變模型

汽液兩相間熱量和質(zhì)量的傳遞都是通過兩相界面進(jìn)行交換。

1) 相間熱量傳遞模型

汽液兩相間熱量傳遞模型采用熱阻模型，即兩相在相界面上分別有各自的傳熱系數(shù)，其中液相通過相界面?zhèn)鬟f的顯熱q液為：

q液=h液(T界-T液)，

汽相通過相界面?zhèn)鬟f的顯熱量q汽為：q汽=h汽(T界-T汽)，

式中： h液——液相傳熱系數(shù)；

h汽——汽相傳熱系數(shù)；

h界——相界面的傳熱系數(shù)；

q界——通過界面的熱量；

T界——相界面溫度。

假設(shè)汽相與界面相間熱阻為0，即h汽→，則h界=h液，

液相與界面?zhèn)鳠岵捎肏ughmark關(guān)系式計(jì)算，即，

式中： Re液——液相的雷諾數(shù)；

Pr液——液相的普朗克數(shù)；

λ液——液相的導(dǎo)熱系數(shù)；

d界——界面長度。

這樣可以直接模擬出汽液兩相間的熱量傳遞過程。

2) 質(zhì)量傳遞模型

汽液兩相間的質(zhì)量傳輸模型是采用熱相變模型，兩相流體分別通過相界面進(jìn)行質(zhì)量交換。

液相通過界面的熱量Q液為：

汽相通過界面熱量Q汽為：

由熱量守恒可知，Q液=-Q汽，則

H液界=H液,H汽界=H汽,飽和；

H液界=H液,飽和,H汽界=H汽；

式中：

H液界——液相界面比焓；

H汽界——汽相界面比焓；

H液,飽和——液相飽和比焓；

H汽,飽和——汽相飽和比焓。

2.2 模擬工況

根據(jù)所建立的“平均通道”模型，結(jié)合AP1000蒸汽發(fā)生器熱工水力設(shè)計(jì)參數(shù)，不同工況下“平均通道”模型的邊界條件列于表1。入口邊界條件為給定的質(zhì)量流量和流體溫度，出口邊界條件為給定的壓力，加熱壁面的熱通量為與高度相關(guān)的三次函數(shù)，其余壁面為對稱面。

表1 邊界條件設(shè)置Table 1 Boundary condition

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 二次側(cè)傳熱特性分析

圖3給出了100%負(fù)荷工況下近壁面液體被加熱過程中汽化速率沿軸向高度的變化。可以看出順流段和逆流段近壁面汽化速率分別在軸向高度H約為1m和3m時(shí)達(dá)到最大值，而其他高度近壁面的汽化速率接近于零，因?yàn)槿肟陬A(yù)熱區(qū)過冷水被加熱，汽化速率趨近于零，順流段和逆流段分別在H約為1m和3m高度處水開始沸騰，進(jìn)入沸騰區(qū)，壁面上汽化速率增大，擾動(dòng)增大，壁面換熱系數(shù)增大。

圖3 近壁面汽化速率變化曲線Fig.3 Change of vaporization rate near wall

隨著高度的增加，流體進(jìn)入穩(wěn)定沸騰區(qū)，加熱面上形成穩(wěn)定的蒸汽膜層[5]，近壁面汽化速率重新趨近于零。圖4示出100%負(fù)荷工況下傳熱管傳熱系數(shù)隨軸向高度的變化曲線。順流段和逆流段換熱系數(shù)在預(yù)熱區(qū)接近于常數(shù)，在H≈1m(順流段)和3m(逆流段)進(jìn)入沸騰區(qū)，換熱系數(shù)急劇增大，進(jìn)入穩(wěn)定沸騰區(qū)后，換熱系數(shù)趨近于常數(shù)，由于順流段熱通量大，換熱性能強(qiáng)，換熱系數(shù)大；逆流段熱通量小，換熱性能弱，換熱系數(shù)小，其平均值位于兩者中間。目前蒸汽發(fā)生器的工程設(shè)計(jì)中通常采用Jens&Lottes公式[6]預(yù)測蒸汽發(fā)生器二次側(cè)表面沸騰過程的傳熱系數(shù)，為了便于比較，圖4給出了100%負(fù)荷工況下順逆流平均傳熱系數(shù)的代數(shù)平均值和Jens&Lottes公式預(yù)測值，可以看出通過數(shù)值計(jì)算得到傳熱系數(shù)的代數(shù)平均值為8998W/(m2·K)，而Jens&Lottes公式計(jì)算值為8770W/(m2·K)，兩者的誤差ε為2.6%，傳熱系數(shù)的數(shù)值計(jì)算結(jié)果和經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測值符合良好。

圖4 傳熱系數(shù)變化曲線Fig.4 Change of heat transfer coefficient

3.2 二次側(cè)含汽率分布規(guī)律

為保證蒸汽發(fā)生器安全可靠工作，避免二回路側(cè)水中雜質(zhì)過度濃縮、傳熱管表面出現(xiàn)干濕交替導(dǎo)致的傳熱管腐蝕破裂及汽水分離器的負(fù)荷增加[7]，對傳熱管束二次側(cè)主要沸騰區(qū)域和含汽率分布的研究至關(guān)重要。蒸汽發(fā)生器100%負(fù)荷穩(wěn)態(tài)過程中二次側(cè)含汽率數(shù)值計(jì)算結(jié)果如圖所示，圖5給出100%負(fù)荷穩(wěn)態(tài)工況下蒸汽發(fā)生器二次側(cè)體積含汽率分布云圖，可以看出二次側(cè)順流段和逆流段流體在流動(dòng)方向上被加熱成汽液兩相流體的過程，高度為1m(順流段)和3m(逆流段)處沸騰區(qū)汽液轉(zhuǎn)換最劇烈，預(yù)熱區(qū)為單相過冷水對流換熱，無汽體生成，隨著高度的增加，流體被持續(xù)加熱，穩(wěn)定沸騰區(qū)含汽率呈逐漸增大的趨勢。圖6，圖7給出順、逆流段汽體的體積、質(zhì)量含汽率沿傳熱管軸向高度的變化趨勢，順流段的體積、質(zhì)量含汽率在沸騰區(qū)急劇增大，而在預(yù)熱區(qū)和穩(wěn)定沸騰區(qū)呈水平保持不變，而逆流段在預(yù)熱區(qū)保持不變，經(jīng)過沸騰區(qū)急劇增大后，在穩(wěn)定沸騰區(qū)呈遞增趨勢，最終順、逆流段含汽率趨于相等，主要是因?yàn)榕c順流段相比，逆流段熱通量較小，換熱強(qiáng)度較弱，所以逆流段預(yù)熱段長，含汽率較小，且增大較慢。

圖5 體積含汽率分布云圖Fig.5 Vapor volume fraction contours

圖6 體積含汽率分布Fig.6 Distribution of vapor volume fraction

圖7 質(zhì)量含汽率分布Fig.7 Distribution of vapor quality fraction

由于順、逆流段的綜合作用，蒸汽發(fā)生器二次側(cè)體積、質(zhì)量含汽率呈增長趨勢，預(yù)熱段長度約為2m，出口質(zhì)量含汽率達(dá)0.265左右。在滿功率穩(wěn)態(tài)工況下AP1000蒸汽發(fā)生器的循環(huán)倍率約為3.7[8]，即質(zhì)量含汽率為0.27左右，該數(shù)值計(jì)算結(jié)果與該型號蒸汽發(fā)生器的設(shè)計(jì)值基本吻合。

3.3 不同負(fù)荷對傳熱的影響

圖8和圖9給出了100%和70%功率負(fù)荷下的蒸汽發(fā)生器二次側(cè)體積含汽率和傳熱系數(shù)的平均值在軸向高度方向上的變化。可以看出不同負(fù)荷下二次側(cè)的體積含汽率和傳熱系數(shù)變化趨勢相同，但同等高度高負(fù)荷工況下，體積含汽率和傳熱系數(shù)較大，主要是因?yàn)樨?fù)荷較小時(shí)，二回路運(yùn)行壓力升高，飽和溫度也變大，且反應(yīng)堆熱功率較小，蒸汽發(fā)生器傳熱管管壁熱通量較小，最終導(dǎo)致低功率水平下蒸汽發(fā)生器二次側(cè)預(yù)熱段變長，體積含汽率和傳熱系數(shù)減小。

圖8 不同功率下體積含汽率分布Fig.8 Distribution of vapor volume fraction under different loads

圖9 不同功率下傳熱系數(shù)分布Fig.9 Distribution of heat transfer coefficient under different loads

4 結(jié)論

本文采用基于?；碚?，建立蒸汽發(fā)生器二次側(cè)“平均通道”模型，采用計(jì)算流體力學(xué)方法結(jié)合相界面模型，對蒸汽發(fā)生器三角形排列傳熱管二回路側(cè)汽水兩相流沸騰和穩(wěn)態(tài)換熱過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，結(jié)論如下：

(1) 利用“平均通道”模型，數(shù)值模擬方法能精確模擬蒸汽發(fā)生器二次側(cè)汽液兩相流沸騰和傳熱過程，數(shù)值計(jì)算的傳熱系數(shù)和Jens&Lottes經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式的預(yù)測值基本吻合。

(2) 滿負(fù)荷穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，沿二次側(cè)流體流動(dòng)方向，流體由預(yù)熱區(qū)經(jīng)過泡核沸騰區(qū)過渡到穩(wěn)定沸騰區(qū)，含汽率逐漸增大，其中泡核沸騰區(qū)相變換熱最劇烈，出口質(zhì)量含汽率為0.265，與AP1000蒸汽發(fā)生器設(shè)計(jì)值基本保持一致。

(3) 蒸汽發(fā)生器穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，隨著負(fù)荷的降低，二次側(cè)體積含汽率和傳熱系數(shù)均降低。

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Numerical Study on heat Transfer Characteristic of two-phaseflow in SG Secondary side

LIU Le, HUANG Yu, XU Liang-wang

(China Nuclear Power Design Co.,Ltd.(Shenzhen), Shanghai Branch, Shanghai 200241,China)

Taking the steam generator in AP1000 Nuclear Power Plant as the prototype, the “Average channel” model of SG secondary side was built. Based on the two-phase interface model, the two-phase flow and heat transfer in SG secondary side were analyzed by software ANSYS CFX. The results show that, it can simulate the phenomenon of boiling and heat transfer in SG by numerical simulation accurately. At full load, the liquid was heated from preheating region to stable boiling region via nucleate boiling region, both vapor fraction and heat transfer coefficient increased gradually along the direction of the flow. the vapor quality fraction at the outlet was largely consistent with the design value, and the average value of heat transfer coefficient which was calculated in this paper was agree with the results of Jens&Lottes empirical correlation generally.Key words: Steam generator; CFX; Steam liquid two-phase flow; Heat transfer characteristic

2015-06-23

劉 樂(1987—)，男，河南駐馬店人，工程師，碩士，現(xiàn)從事核反應(yīng)堆熱工水力分析工作

TL333

A

0258-0918(2016)05-0611-06