穩(wěn)壓器波動管不同布置方式對熱分層現(xiàn)象的影響

王大勝，劉 攀，王海軍，喬守旭，黃炳臣

(1.深圳中廣核工程設計有限公司，廣東 深圳 518124；2.西安交通大學，陜西 西安 710049；3.環(huán)境保護部 核與輻射安全中心，北京 100082)

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穩(wěn)壓器波動管不同布置方式對熱分層現(xiàn)象的影響

王大勝1，劉 攀1，王海軍2，喬守旭2，黃炳臣3,*

(1.深圳中廣核工程設計有限公司，廣東 深圳 518124；2.西安交通大學，陜西 西安 710049；3.環(huán)境保護部 核與輻射安全中心，北京 100082)

通過改變波動管的傾角建立了兩種不同布置方式的波動管模型，采用計算流體力學(CFD)分析方法，分別對這兩種模型的熱分層現(xiàn)象進行數(shù)值模擬分析，比較不同流量下兩種模型熱分層現(xiàn)象的特點，并對兩種模型熱分層現(xiàn)象差異產(chǎn)生的原因進行分析。結果表明：兩種模型熱分層現(xiàn)象產(chǎn)生的位置和熱分層覆蓋范圍不同，引起這些差異的原因主要是由于不同模型的波動管內(nèi)流體流動不同。本研究能為優(yōu)化波動管布置達到減弱熱分層效應提供參考。

波動管；熱分層；布置方式；數(shù)值模擬

穩(wěn)壓器波動管的熱分層現(xiàn)象是由于穩(wěn)壓器中的冷卻劑溫度與主回路中的冷卻劑溫度不同導致的。穩(wěn)壓器中的冷卻劑溫度高，密度低，占據(jù)波動管截面的上部；主回路中的冷卻劑溫度低，密度高，占據(jù)波動管截面的下部；工程上將上述現(xiàn)象稱為穩(wěn)壓器波動管熱分層。波動管內(nèi)的熱分層現(xiàn)象會引起管壁溫度分層，從而使波動管截面產(chǎn)生總體彎曲熱應力和局部熱應力，產(chǎn)生非預期的位移和支撐載荷。這一現(xiàn)象有可能對波動管的完整性構成威脅，對核電廠的正常運行產(chǎn)生安全隱患。因此，1988年美國核管會(NRC)發(fā)布公告88-08[1]和公告88-11[2]，要求所有的在役或在建核電廠必須對穩(wěn)壓器波動管熱分層進行分析論證，確保其結構完整性。我國的國家核安全局也提出了相同要求。

國內(nèi)對波動管熱分層現(xiàn)象的研究起步較晚，研究成果相對較少。李澍等[3]采用Realizablek-ε模型對熱分層進行了數(shù)值模擬；張毅雄等[4]對波動管熱分層瞬態(tài)進行了分析，所建立的分析模型中未考慮主管道流速的影響；張力等[5]建立了考慮主管道流速的波動管模型，分析了波動管熱分層現(xiàn)象與波動流速之間的關系。國外對波動管熱分層現(xiàn)象基于實驗研究的比較多，但研究方法鮮見文獻。目前對如何改善波動管熱分層效應的研究文獻報道很少，文獻[3]建議通過在波動管和保溫層之間設置電加熱器來提高底部壁溫以減小溫差，但難于實現(xiàn)。對于波動管的布置方式，大亞灣、嶺澳等核電站的波動管均采用接近水平的布置方式，波動管的熱分層現(xiàn)象相對比較明顯；為了提高核電廠的安全性和壽命，在三代壓水堆的設計中波動管的布置方式有所改變。

本文擬建立兩種不同布置方式的波動管模型，即波動管水平布置和傾斜布置，并對兩種方式的熱分層現(xiàn)象進行數(shù)值模擬，分析對比兩種布置方式下波動管熱分層現(xiàn)象的特點，以期為優(yōu)化波動管布置、達到減弱熱分層效應提供理論依據(jù)和技術參考。

1 理論方法

1.1 物理模型

波動管布置模型如圖1所示，其中圖1a為水平布置模型，圖1b為與主管道連接的波動管段帶有一定傾角的模型，即傾斜布置模型。

圖1 水平(a)和傾斜(b)布置模型Fig.1 Horizontal (a) and inclined (b) layout models

1.2 控制方程

1) 連續(xù)性方程：

(1)

2) 動量方程：

(2)

其中：p為靜壓；μ為動力黏度；ρg和F分別為重力和其他外部因素引起的體積力。

3) 能量方程：

(3)

式中：c為比熱容；T為溫度；k為流體的傳熱系數(shù)；ST為黏性耗散項[6]。

2 數(shù)值模擬

2.1 分析模型

計算采用標準k-ε湍流模型。其中對于包含浮升力的計算，動量方程需增加一個源項。該附加源項通常有兩種計算方法，即全浮力模型和波斯納斯克假設模型。波斯納斯克假設模型對附加源項采取近似處理，只適用于溫度變化不大的流場；全浮力模型根據(jù)實際密度直接對ρ-ρref進行評估來求解浮力。穩(wěn)壓器波動管由于冷熱段溫差較大，密度隨溫度的變化明顯，因此采用全浮力模型。為了分析波動管不同布置方式下熱分層現(xiàn)象的特性，分別選取3種流量進行計算研究。

2.2 邊界條件

假設邊界條件如下：波動管入口流量Ql，0.5、2和4 m3/h；波動管入口流體溫度tPZR，237 ℃；主管道入口流量Qm，25 030 m3/h；主管道流體溫度tHL，100 ℃；運行壓力，3.2 MPa。出口邊界條件：出口相對壓力，0 MPa。

壁面邊界條件：無滑移邊界條件；水的物性參數(shù)隨溫度變化。

2.3 網(wǎng)格劃分

采用結構化網(wǎng)格技術劃分網(wǎng)格，兩種波動管布置模型的網(wǎng)格形式均如圖2所示，分別計算了20.1萬、43.6萬和67萬3種數(shù)量的網(wǎng)格。圖3為2 m3/h流量下監(jiān)測點的溫度隨時間的變化，監(jiān)測點位于波動管靠近水平段的第1個彎頭處(圖2中黑框位置)。計算結果表明：43.6萬和67萬兩種網(wǎng)格的計算結果基本一致，與20.1萬網(wǎng)格數(shù)量的計算結果差別較大。為節(jié)省計算資源，以下的分析計算均以43.6萬網(wǎng)格進行。

圖2 波動管網(wǎng)格劃分Fig.2 Grid of surge line

圖3 不同網(wǎng)格數(shù)量下監(jiān)測點的溫度隨時間的變化Fig.3 Variation of temperature with time under different grid numbers

3 計算結果

通過對兩種布置模型的計算結果進行分析，采用流場穩(wěn)定后(流場溫度分布不再隨時間變化)的計算結果。

3.1 水平布置模型的熱分層現(xiàn)象

水平布置模型在不同流量下的熱分層，除波動管各截面溫差不同外，熱分層的分布形式較為類似，以2 m3/h流量下的熱分層現(xiàn)象(圖4)為例進行分析?？煽闯?，水平布置模型的熱分層基本覆蓋了整個水平段部分，影響范圍較大。

圖4 2 m3/h流量下水平布置模型熱分層現(xiàn)象Fig.4 Thermal stratification of horizontal layout model at 2 m3/h

沿波動管軸線(以波動管與主管道交界為起始位置)各截面的溫差如圖5所示。圖中橫坐標為沿波動管軸線的無量綱長度L/L0(長度起始位置為波動管與主管道交界面，L為距離起始位置的長度，L0為波動管總長度)，縱坐標為流體溫差。由圖5可看出，對于水平布置模型，隨波動管流量的增大，熱分層現(xiàn)象覆蓋的波動管各截面的溫差逐漸增大，高溫流體更易穿透進入波動管熱分層范圍內(nèi)，而主管道內(nèi)沖入波動管的低溫流體量變化不大；隨波動管流量的增大，熱分層覆蓋范圍變化不大。

圖5 水平布置模型沿波動管軸線各截面的溫差Fig.5 Cross-sectional temperature difference of horizontal layout model along surge line axis

3.2 傾斜布置模型的熱分層現(xiàn)象

傾斜布置模型在不同流量下的熱分層，除熱分層發(fā)生位置和熱分層覆蓋范圍有所不同外，熱分層的分布形式較為類似，以2 m3/h流量下的熱分層現(xiàn)象(圖6)為例進行分析。與水平布置模型相比，傾斜布置模型也存在熱分層現(xiàn)象，但熱分層覆蓋范圍較水平模型的小很多。

圖6 2 m3/h流量下傾斜布置模型熱分層現(xiàn)象Fig.6 Thermal stratification of inclined layout model at 2 m3/h

對于傾斜布置模型，沿波動管軸線(以波動管與主管道交界為起始位置)獲得的各截面的溫差曲線能更好地反映不同流量下熱分層現(xiàn)象的特點，如圖7所示?？煽闯?，隨波動管流量的增大，傾斜布置模型的熱分層發(fā)生的位置逐漸向主管道側(cè)推進，即高溫流體將推動由主管道沖入波動管的低溫流體向主管道側(cè)移動，這與水平布置模型的現(xiàn)象有所不同。

圖7 傾斜布置模型沿波動管軸線各截面的溫差Fig.7 Cross-sectional temperature difference of inclined layout model along surge line axis

3.3 兩種布置模型的熱分層現(xiàn)象差異分析

水平布置和傾斜布置波動管在2 m3/h流量下波動管內(nèi)流體的流線如圖8所示。

圖8 不同布置模型波動管內(nèi)的流線圖 圖8 Flow chart in surge line of different layouts

結果表明，水平布置模型(圖8a)波動管內(nèi)流體流線比較光順，僅在靠近主管道部分出現(xiàn)流線的旋轉(zhuǎn)，對于水平段，來自穩(wěn)壓器的熱流體從波動管上方流向主管道方向，來自主管道的冷流體則從下方流向穩(wěn)壓器方向，冷熱流體在波動管水平段內(nèi)是分層流動的，即使波動管流量增大，熱流體對冷流體的沖擊作用也變化不大。因此水平布置模型的熱分層的范圍較大，但流量大小對熱分層覆蓋范圍影響較小。

與水平布置模型波動管內(nèi)流線相比，傾斜布置模型(圖8b)波動管內(nèi)的流線旋轉(zhuǎn)情況比較顯著；由于熱流體的旋轉(zhuǎn)流動和波動管帶有一定的傾角阻止了冷流體進一步進入波動管，從而使熱分層現(xiàn)象被限制在較小范圍內(nèi)，當波動管流量增大時，熱分層覆蓋范圍向主管道側(cè)移動。

3.4 數(shù)值模擬與試驗結果驗證

圖9為2 m3/h流量下波動管傾斜布置模型的熱分層數(shù)值模擬結果與模型試驗結果的對比，圖中橫坐標為沿截面1圈的角度，縱坐標為無量綱溫度(測點位置溫度/試驗最大溫度)。從圖9可知，波動管不同截面位置數(shù)值模擬結果與試驗結果吻合較好，驗證了本文數(shù)值模擬方法的可靠性。

圖9 2 m3/h流量下數(shù)值模擬結果與試驗結果比較Fig.9 Comparison between theoretical and experimental results at 2 m3/h

4 結論

研究了波動管布置方式改變對波動管熱分層現(xiàn)象的影響。針對波動管水平布置和傾斜布置分別計算了3種流量下的熱分層現(xiàn)象，比較了兩種布置方式下熱分層現(xiàn)象的特點，并對兩種布置方式熱分層現(xiàn)象產(chǎn)生差異的原因進行了分析，得到結論如下：

1) 水平布置方式的熱分層覆蓋范圍較傾斜布置方式的大，且在整個熱分層范圍內(nèi)溫差變化較傾斜布置方式的小；

2) 隨波動管流量的增大，水平布置方式的熱分層發(fā)生的位置和覆蓋范圍變化不大，而傾斜布置方式的熱分層向主管道側(cè)移動。

3) 波動管兩種布置方式熱分層現(xiàn)象產(chǎn)生差異主要是由于波動管內(nèi)流體流動不同導致的。

[1] NRC bulletin 88-08: Thermal stresses in piping connected to reactor coolant systems[S]. US: US NRC, 1988.

[2] NRC bulletin 88-11: Pressurizer surge line thermal stratification[S]. US: NRC, 1988.

[3] 李澍，曹小偉. 壓水堆穩(wěn)壓器波動管熱分層的分析研究[J]. 核動力工程，2009，30(6)：31-34.

LI Shu, CAO Xiaowei. Analysis of thermal stratification for pressurizer surge line[J]. Nuclear Power Engineering, 2009, 30(6): 31-34(in Chinese).

[4] 張毅雄，楊宇. 穩(wěn)壓器波動管熱分層分析[J]. 核動力工程，2006，27(6)：13-17.

ZHANG Yixiong, YANG Yu. Thermal stratification study for pressurizer surge line[J]. Nuclear Power Engineering, 2006, 27(6): 13-17(in Chinese).

[5] 張力，賴建永，黃偉，等. 壓水堆核電廠穩(wěn)壓器波動管熱分層現(xiàn)象數(shù)值分析[J]. 核動力工程,2009，30(4)：91-95.

ZHANG Li, LAI Jianyong, HUANG Wei, et al. Numerical simulation for thermal stratification of PWR NPP pressurizer surge line[J]. Nuclear Power Engineering, 2009, 30(4): 91-95(in Chinese).

[6] 王福軍. 計算流體動力學分析[M]. 北京：清華大學出版社，2004.

Effect on Thermal Stratification of Pressurizer Surge Line by Different Layouts

WANG Da-sheng1, LIU Pan1, WANG Hai-jun2,QIAO Shou-xu2, HUANG Bing-chen3,*

(1.ChinaNuclearPowerDesignCo.,Ltd.(Shenzhen),Shenzhen518124,China;2.Xi’anJiaotongUniversity,Xi’an710049,China;3.NuclearandRadiationSafetyCenter,MinistryofEnvironmentalProtection,Beijing100082,China)

Two different layout surge line models were established. Based on these two models, the thermal stratification was studied with numerical simulation using CFD respectively. Comparing the characteristics of thermal stratification between these two models under different mass flow rates, the reasons leading to different phenomena of thermal stratification for two models were analyzed. The results show that the location and range of thermal stratification are different due to different forms of fluid flow for two models. Meanwhile, the results can provide a reference for optimizing the surge line layout and weakening the thermal stratification effects.

surge line; thermal stratification; layout; numerical simulation

2014-03-25;

2014-05-14

王大勝(1986—)，男，河南桐柏人，工程師，碩士，從事核島主設備力學分析研究

*通信作者：黃炳臣，E-mail: huangbingchen@126.com

TK124

A

1000-6931(2015)07-1232-05

10.7538/yzk.2015.49.07.1232