非能動安全殼冷卻系統(tǒng)CFD冷凝和蒸發(fā)模型研究

李懿　武建新

摘 要：在非能動安全殼冷卻系統(tǒng)CFD冷凝模型和蒸發(fā)模型的開發(fā)過程中，應(yīng)用了計算流體動力學(xué)程序平臺CASTEM。采用了Buleev湍流模型和k-ε湍流模型作為冷凝模型，采用了G.Aiello發(fā)展液膜蒸發(fā)模型作為蒸發(fā)模型。經(jīng)過研究和試驗證明，試驗值和計算值之間，具有較為良好的吻合度，因此，在非能動安全殼冷卻系統(tǒng)當(dāng)中，能夠采用建立的冷凝模型和蒸發(fā)模型對其穩(wěn)態(tài)下的傳熱傳質(zhì)特性進行模擬。

關(guān)鍵詞：非能動安全殼冷卻系統(tǒng)；CFD；冷凝模型；蒸發(fā)模型

前言

在先進壓水堆的一些假想事故，例如失水事故當(dāng)中，利用非能動安全殼冷卻系統(tǒng)對安全殼進行排熱處理。設(shè)計了雙層的安全殼結(jié)構(gòu)，其中事故之后的傳熱面為內(nèi)層的鋼安全殼。在發(fā)生失水事故之后，破口處會有冷卻劑泄漏到安全殼當(dāng)中，在低壓狀態(tài)下閃蒸，利用冷凝機制、對流機制等，向鋼安全殼壁傳遞熱量，然后經(jīng)過壁面向外側(cè)流動液膜傳遞。液膜受熱蒸發(fā)，會形成向上流動的水蒸汽，從而從安全殼頂部開口出帶走熱量。

1 冷凝模型

在冷凝模型當(dāng)中，2D矩形通道是其計算區(qū)域，對低雷諾數(shù)下的NAVIER-STOKES方程進行計算，能夠得到相應(yīng)的質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程、組分傳輸方程等。分別采用了Buleev湍流模型和Chien k-ε湍流模型[1]。其中，Buleev湍流模型具有良好的魯棒性，Chien k-ε湍流模型則具有良好的準(zhǔn)確性。通過COPAIN冷凝試驗對冷凝模型進行數(shù)據(jù)驗證。結(jié)合實際情況，對79個驗證工況進行計算，其中，利用兩種模型分別計算了59個工況和20個工況。最終得出的總冷凝質(zhì)量流率計算值與試驗值之間，存在著15%以內(nèi)的偏差，證明了冷凝模型具有良好的準(zhǔn)確性，能夠用于非能動安全殼冷卻系統(tǒng)CFD模型的建立。

2 蒸發(fā)模型

在蒸發(fā)模型當(dāng)中，針對非能動安全殼冷卻系統(tǒng)中，鋼安全殼外側(cè)的空氣環(huán)腔，利用G.Aiello進行了相應(yīng)的1D模型的開發(fā)。在模型當(dāng)中，對液膜、空氣之間的質(zhì)量平衡、能量平衡等進行了兼顧，具體分為蒸發(fā)傳熱、對流傳熱、傳導(dǎo)傳熱等不同的液膜主要傳熱機理。在模型當(dāng)中，主要是通過濕空氣能量平衡方程、液膜質(zhì)量平衡方程、濕空氣動量平衡方程等進行求解，同時將總熱流密度方程、對流熱流密度、液膜蒸發(fā)質(zhì)量流密度、液膜蒸發(fā)熱流密度等作為求解的輔助方程[2]。

如果工況中存在無液膜覆蓋的干壁狀態(tài)，在模型當(dāng)中，利用CF

X-4程度進行計算，并且驗證得到的結(jié)果，從而證明了模型與程序的計算結(jié)果比較相符。如果工況是有液膜覆蓋的濕壁狀態(tài)，可利用Park和Kang的蒸發(fā)試驗進行驗證，計算數(shù)值采用干壁工況狀態(tài)下的標(biāo)定值。通過計算，能夠得出在軸向平均傳熱系數(shù)中，隨著入口空氣流速變化曲線和試驗值的對比情況，從而得出在蒸發(fā)模型中，計算值和試驗值比較相符。由此可見，蒸發(fā)模型在干壁工況和濕壁工況下，都具有較高的準(zhǔn)確度，因而能夠用于非動能安全殼冷卻系統(tǒng)CFD模型的建立。

3 非能動安全科冷凝系統(tǒng)CFD模型

根據(jù)前面開發(fā)完成的冷凝模型和蒸發(fā)模型，可以進行非動能安全殼冷卻系統(tǒng)CFD模型的建立。在該CFD模型當(dāng)中，根據(jù)邊界條件、幾何參數(shù)等相關(guān)的參數(shù)，例如蒸發(fā)通道的高度、寬度、壓力、入口溫度；冷凝板的高度、厚度；冷凝通道的高度、寬度、壓力、入口溫度、入口流速、質(zhì)量分?jǐn)?shù)等，就能夠?qū)Ψ莿幽馨踩珰だ鋮s系統(tǒng)的運行特性進行反映。在冷凝板處，空氣和蒸汽的混合物會發(fā)生冷凝，蒸汽的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、近壁面的溫度等都會有所下降[3]。會朝著壁面方向，產(chǎn)生冷凝質(zhì)量流率。通過冷凝、對流等方式，熱量能夠傳遞到壁面，進而繼續(xù)向壁面外側(cè)的液膜進行傳遞。液膜在吸收熱量之后，會蒸發(fā)產(chǎn)生蒸發(fā)質(zhì)量流密度，進而通過與空氣的對流和蒸發(fā)進行熱量傳遞?？諝馐軣嵘仙瑫谙蛏狭鲃拥倪^程中，蒸汽質(zhì)量分?jǐn)?shù)、空氣溫度等，也會逐漸升高。

在穩(wěn)態(tài)下，CFD模型中的參數(shù)分布情況，能夠反映出非能動安全殼冷卻系統(tǒng)的變化趨勢，結(jié)果表明其與計算結(jié)構(gòu)基本吻合?？偀崃髅芏仍诶淠鍍蓚?cè)具有一定的不同，尤其是在兩側(cè)通道的出入口位置，具有更為明顯的差別。這主要是因為在通道入口處，具有入口效應(yīng)，同時受到第一個三維計算網(wǎng)格處理方式的影響造成的[4]。經(jīng)過驗證，表明總傳熱量在冷凝板兩側(cè)是相同的。因此，非能動安全殼冷卻系統(tǒng)CFD冷凝模型和蒸發(fā)模型能夠?qū)ζ浞€(wěn)態(tài)下的傳熱特性進行有效的模擬，從而掌握其運行狀態(tài)，確保其發(fā)揮出良好的作用和效果。

4 結(jié)束語

非動能安全殼冷卻系統(tǒng)在實際應(yīng)用中具有十分重要的作用，為了確保其能夠發(fā)揮出更為良好的性能和效果，采用CFD來對冷卻系統(tǒng)的冷凝模型和蒸發(fā)模型進行開發(fā)，并且以此為基礎(chǔ)建立非動能安全殼冷卻系統(tǒng)CFD模型。經(jīng)過試驗和研究證明，該模型具有較為良好的準(zhǔn)確性，因而能夠在實際應(yīng)用中發(fā)揮出良好的作用。

參考文獻

[1]蔣孝蔚，余紅星，孫玉發(fā)，等.非能動安全殼冷卻系統(tǒng)傳熱傳質(zhì)模型研究[J].核動力工程，2013，5：118-123.

[2]葉成，鄭明光，王勇，等.AP1000非能動安全殼冷卻水WGOTHIC分析[J].原子能科學(xué)技術(shù)，2013，12：2225-2230.

[3]魏巍，魏來，陳艷芳，等.基于SimCont的AP1000非能動安全殼冷卻系統(tǒng)仿真實現(xiàn)[J]. 原子能科學(xué)技術(shù)，2013，5：794-797.

[4]孫流莉，陽祥，趙瑞昌，等.安全殼冷卻試驗蒸發(fā)特征數(shù)不確定度評定方法及其應(yīng)用[J].動力工程學(xué)報，2015，8：687-692.

作者簡介：李懿（1991-），女，籍貫：內(nèi)蒙古，學(xué)歷：本科，職稱：研究生，研究方向：智能控制技術(shù)、多場耦合機電系統(tǒng)動力學(xué)分析。

武建新（1971-），男，籍貫：內(nèi)蒙古，學(xué)位：博士，職稱：教授，研究方向：機器人技術(shù)、智能控制技術(shù)、多場耦合機電系統(tǒng)動力學(xué)分析、機電系統(tǒng)優(yōu)化。