環(huán)境風(fēng)對大型非能動核電廠風(fēng)的中立特性影響的數(shù)值分析研究

潘新新，黃鏡宇，向文娟，宋春景（上海核工程研究設(shè)計(jì)院，上?！?00233）

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環(huán)境風(fēng)對大型非能動核電廠風(fēng)的中立特性影響的數(shù)值分析研究

潘新新，黃鏡宇，向文娟，宋春景
（上海核工程研究設(shè)計(jì)院，上海200233）

摘要：在發(fā)生CAP1400非能動核電廠事故1個月后，僅通過非能動空氣流道可實(shí)現(xiàn)安全殼的冷卻。設(shè)計(jì)上，要求空氣流道的氣動特性盡可能不受外界環(huán)境風(fēng)的影響。本文應(yīng)用STAR-CCM+軟件對大型先進(jìn)非能動核電廠CAP1400實(shí)際1∶1模型進(jìn)行計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD）分析，研究環(huán)境風(fēng)速、風(fēng)向、溫度等因素對空氣流動特性的影響，分析結(jié)果表明CAP1400具有風(fēng)的中立特性。

關(guān)鍵詞：環(huán)境風(fēng)；空氣流道；風(fēng)向中立

大型非能動核電廠CAP1400在事故發(fā)生1個月后僅可以利用殼外的非能動安全殼冷卻系統(tǒng)（Passive Containment Cooling System，簡稱PCS）空氣流道內(nèi)的自然循環(huán)實(shí)現(xiàn)堆芯的長期冷卻?？諝饬鞯牢挥诎踩珰ず推帘螐S房之間，空氣自然循環(huán)過程如下［1］：來自環(huán)境的空氣通過空氣流道的百葉窗進(jìn)入，經(jīng)過入口格柵、導(dǎo)流板與屏蔽廠房之間的下降段，拐過底部180°導(dǎo)流葉片，沿著安全殼外表面和導(dǎo)流板之間的上升段上升，穿過上環(huán)腔過渡段、排氣口入口以及排氣口出口，返回到環(huán)境中。各組件詳見圖1所示。設(shè)計(jì)上，應(yīng)盡可能使空氣流道的流動特性不受屏蔽廠房外環(huán)境風(fēng)的影響，在不同環(huán)境風(fēng)條件下均能保證空氣流道上升段空氣流速盡量均勻，流動方向盡可能一致，從而一方面使得導(dǎo)流板受力盡可能均勻，避免局部出現(xiàn)大的載荷；另一方面，也更有利于帶走堆內(nèi)熱量。該特性稱之為風(fēng)的中立特性。

本文應(yīng)用STAR-CCM+軟件［2］對大型先進(jìn)非能動核電廠CAP1400實(shí)際1∶1模型進(jìn)行計(jì)算流體力學(xué)（CFD）模擬分析，研究環(huán)境不同風(fēng)速、風(fēng)向、溫度等因素對空氣流道內(nèi)流動特性的影響，進(jìn)而評價(jià)CAP1400非能動安全殼冷卻系統(tǒng)空氣流道的風(fēng)的中立特性。

圖1　PCS空氣流道示意圖Fig.1 PCS air flow path schematic

1　數(shù)值方法

1.1幾何模型

由于CAP1400屏蔽廠房和安全殼結(jié)構(gòu)基本對稱，因此建立180°幾何模型即可（如圖2所示）?？紤]到屏蔽廠房直徑約為48 m，高度約為76 m，為了使安全殼外側(cè)形成充分發(fā)展的流場，在半圓周安全殼模型的外側(cè)建立320 m×80 m× 300 m（長×寬×高）的環(huán)境流場計(jì)算域［3-5］，整個外環(huán)境流場計(jì)算模型如圖3所示。左側(cè)為速度入流邊界，右側(cè)為壓力出流邊界，安全殼的百葉窗及排氣口出口設(shè)置為內(nèi)部邊界，中間剖面設(shè)置為對稱邊界，其他邊界設(shè)置為壁面?？諝鈴淖髠?cè)流入，右側(cè)流出，外部環(huán)境的空氣可通過百葉窗和排氣口自由流進(jìn)與流出。

圖2　空氣流道模型Fig.2 Air flow path model

圖3　外流場模型Fig.3 Outer flow field model

1.2網(wǎng)格劃分

針對整體CAP1400模型進(jìn)行三維定常計(jì)算，選取Realizable k-epsilon湍流模型［6-8］以及Two-Layer All y+Wall Treatment邊界層設(shè)置［2］，對于空氣流道模型和外部流場計(jì)算域采取不同的網(wǎng)格模型［9-10］，經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，空氣流道模型約1 033萬多面體網(wǎng)格，外部流場計(jì)算域約390萬剪裁體網(wǎng)格，如圖4所示。

圖4　網(wǎng)格示意圖Fig.4 Mesh schematic

1.3多孔介質(zhì)

空氣流道中格柵和濾網(wǎng)為多孔網(wǎng)板結(jié)構(gòu)，屬于簡單多孔介質(zhì)。格柵和濾網(wǎng)如果按照實(shí)際幾何建模，網(wǎng)格數(shù)必然巨大，目前計(jì)算機(jī)根本無法承受。為降低建模難度以及節(jié)省計(jì)算機(jī)資源，軟件中格柵/濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)選用可以模擬多孔網(wǎng)板阻力特性的多孔介質(zhì)模型［2］。多孔介質(zhì)設(shè)置參數(shù)（粘性阻力系數(shù)、慣性阻力系數(shù)）通過單獨(dú)提取格柵結(jié)構(gòu)建模計(jì)算得出，并經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證［11］。各格柵/濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)的計(jì)算參數(shù)見表1。

表1　多孔介質(zhì)參數(shù)Table 1 Porous media parameters

1.4方法驗(yàn)證

以AP600風(fēng)洞試驗(yàn)原型進(jìn)行建模計(jì)算，計(jì)算中采用了幾何對稱模型和湍流計(jì)算模型等，計(jì)算流體力學(xué)的分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果［12］基本一致，由于CAP1400屏蔽廠房和安全殼結(jié)構(gòu)形式與AP600基本類似，主要差別是結(jié)構(gòu)尺度有所增大，但外部環(huán)境條件及物理現(xiàn)象都是一致的。因此，通過AP600風(fēng)洞試驗(yàn)的計(jì)算流體力學(xué)驗(yàn)證可以說明應(yīng)用STAR CCM+軟件模擬分析同類型核電廠空氣流道風(fēng)的中立特性的可行性。圖5為分析得到的AP600風(fēng)洞模型中剖面速度分布［13］。

圖5　速度分布（AP600風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ停〧ig.5 Velocity distribution（AP600 wind tunnel test model）

2　結(jié)果分析與討論

2.1風(fēng)速影響

根據(jù)圖3設(shè)置模型的邊界條件。速度入口參數(shù)根據(jù)核電廠所處的自然環(huán)境確定，共選取3個流速：21.5m·s-1、65m·s-1、134m·s-1，分別對應(yīng)廠址最低溫度時的最大風(fēng)速、設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速和龍卷風(fēng)風(fēng)速［14］。選取這三個風(fēng)速，主要是因?yàn)榄h(huán)境高風(fēng)速對環(huán)腔內(nèi)風(fēng)速不均勻性的貢獻(xiàn)相對于自然循環(huán)來說更大一些，而低風(fēng)速下自然循環(huán)的貢獻(xiàn)占主導(dǎo)?？紤]到地面摩擦和廠房建筑的影響，高度70 m以下區(qū)域的風(fēng)速與所處高度呈指數(shù)變化關(guān)系，高度70 m以上區(qū)域受地面建筑的影響較小，設(shè)為均勻流速［15-17］。

風(fēng)速V的具體設(shè)置見式（1）：

其中z表示高度m，x表示高空區(qū)均勻風(fēng)速值，單位m·s-1。

圖6、圖7分別為入口流速為134m·s-1時百葉窗高度橫截面、模型中剖面的壓力分布和速度分布。如圖6所示，空氣在安全殼迎風(fēng)面通過百葉窗流入空氣流道，而流經(jīng)安全殼旁側(cè)時形成圓柱繞流，安全殼側(cè)面空氣流速加快而壓力降低，安全殼背風(fēng)面由于側(cè)面的速度分離而形成漩渦，壓力大幅降低。如圖7所示，排氣口出口上方區(qū)域形成一個低壓區(qū)，環(huán)境空氣從入口的高壓區(qū)經(jīng)空氣流道到排氣口最終返回到環(huán)境中。空氣流道上升段的迎風(fēng)面和背風(fēng)面壓力和速度基本一致，由此可初步推斷空氣流道內(nèi)環(huán)腔風(fēng)速流動相對比較均勻。

圖8～圖13給出了環(huán)境不同風(fēng)速下環(huán)腔上升段截面高度處的軸向風(fēng)速與切向風(fēng)速變化（軸向、切向示意見圖3），橫坐標(biāo)為環(huán)腔上升段半個圓周各點(diǎn)的角度，90°表示背風(fēng)面，270°為迎風(fēng)面。圖8～10可見，環(huán)腔上升段標(biāo)高20m處環(huán)腔各點(diǎn)的軸向速度分布與標(biāo)高30 m、45 m處各點(diǎn)的軸向分布規(guī)律類似：迎風(fēng)面風(fēng)速要大于背風(fēng)面的風(fēng)速，環(huán)境風(fēng)速達(dá)到21.5 m·s-1時各截面軸向風(fēng)速分布較為均勻，不同角度的風(fēng)速差異基本可忽略，但是隨著環(huán)境風(fēng)速增大，這種差異越來越明顯?？諝鈴目諝饬鞯老陆刀瓮ㄟ^導(dǎo)向葉片轉(zhuǎn)彎進(jìn)入上升段，隨著上升段的標(biāo)高增加，空氣軸向流速趨于均勻，21.5 m·s-1、65 m·s-1和134 m·s-1三種工況45 m截面各角度空氣軸向流速的平均偏差依次為5.9%、9.7%、10.6%。圖11～13可見，環(huán)腔上升段各截面迎風(fēng)面和背風(fēng)面的切向風(fēng)速較小，在180°側(cè)面出現(xiàn)最大的切向風(fēng)速，切向風(fēng)速也是反映風(fēng)的中立特性的一個重要指標(biāo)。隨著環(huán)境風(fēng)速的降低，切向風(fēng)速的差異越來越小，即環(huán)腔風(fēng)的中立特性越好。

圖6　百葉窗高度截面壓力和速度分布（134 m·s-1）Fig.6 Pressure and velocity distribution at the louvers' level（134 m·s-1）

圖7　中剖面壓力和速度分布（134 m·s-1）Fig.7 Pressure and velocity distribution at the central plane（134 m·s-1）

圖8　上升段軸向風(fēng)速（標(biāo)高20 m）Fig.8 Axial velocity in riser（EL.20 m）

圖9　上升段軸向風(fēng)速（標(biāo)高30 m）Fig.9 Axial velocity in riser（EL. 30 m）

圖10　上升段軸向風(fēng)速（標(biāo)高45m）Fig.10 Axial velocity in riser（EL. 45m）

圖11　上升段切向風(fēng)速（標(biāo)高20 m）Fig.11 Tangential velocity in riser（EL. 20 m）

圖12　上升段切向風(fēng)速（標(biāo)高30 m）Fig.12 Tangential velocity in riser（EL. 30 m）

圖13　上升段切向風(fēng)速（標(biāo)高45 m）Fig.13 Tangential velocity in riser（EL. 45 m）

綜上，環(huán)腔內(nèi)空氣流動均勻特性基本不受環(huán)境風(fēng)速的影響。不同環(huán)境風(fēng)速下，上升段底部（標(biāo)高20 m）已具有較好的風(fēng)的中立特性，隨著高度的增加，空氣流動愈加均勻，故下文其他因素的分析均以標(biāo)高20m為基礎(chǔ)。

2.2風(fēng)向角影響

為考察不同風(fēng)向下的風(fēng)向中立特性，在入口邊界設(shè)置了不同的風(fēng)向角，將來流速度分解為水平向和垂直向的風(fēng)速作為設(shè)計(jì)輸入。風(fēng)向角表征來流與水平方向的夾角，研究工況假設(shè)為-30°、-15°、0°、15°、45°等，其中0°表示水平風(fēng)向，負(fù)值表示來流傾斜向下，正值表示來流傾斜向上。

計(jì)算結(jié)果表明，在不同流速、不同風(fēng)向角的工況下，空氣流道上升段的空氣流動均表現(xiàn)為風(fēng)向中立。下文以龍卷風(fēng)風(fēng)速時的不同風(fēng)向角為例進(jìn)行分析。

圖14　不同風(fēng)向角切向風(fēng)速Fig.14 Tangential velocity vs. wind direction

圖14為在龍卷風(fēng)風(fēng)速134 m·s-1時不同風(fēng)向角情況下空氣流道上升段標(biāo)高20 m截面的切向速度分布。同一工況下，空氣流道上升段的迎風(fēng)面和背風(fēng)面的速度基本保持一致，環(huán)腔側(cè)面出現(xiàn)最大切向流速，風(fēng)向角的變化對該規(guī)律基本無影響。結(jié)合圖15所示切向風(fēng)速隨風(fēng)向角的變化關(guān)系可知，風(fēng)向角0°即風(fēng)速水平時，切向風(fēng)速有最大峰值，風(fēng)向角絕對值越大，切向風(fēng)速越均勻，即風(fēng)的中立特性越明顯。

圖15　平均切向風(fēng)速隨風(fēng)向角變化關(guān)系Fig.15 Average tangential velocity vs. wind direction

2.3環(huán)境溫度影響

由于屏蔽廠房及安全殼長期暴露于外部環(huán)境中，因此，不同的環(huán)境溫度條件有可能影響環(huán)腔內(nèi)的空氣流動特性，尤其是低溫條件下可能對安全殼的外壓分析產(chǎn)生一定的影響。在此不考慮環(huán)境最高溫度的影響的原因是目前外壓分析工況外其他事故工況均按照環(huán)境高溫、環(huán)境零風(fēng)速條件進(jìn)行保守分析，當(dāng)環(huán)境風(fēng)速較大時，對外壓分析工況之外的事故工況都是有利的。因此，僅針對影響外壓分析工況的低溫條件進(jìn)行分析，分別選取-40℃、-23.3℃、-15℃、0℃四組環(huán)境溫度工況，環(huán)境風(fēng)速均為21.5 m·s-1，即廠址最低溫度時的最大風(fēng)速［14］。安全殼壁面溫度設(shè)為10℃，該溫度為正常運(yùn)行安全殼的最低溫度［14］。選擇理想氣體模型進(jìn)行換熱計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖16、圖17所示。結(jié)果表明，不同溫度下環(huán)腔上升段空氣軸向流速和切向流速差別不大，高溫時切向流速峰值略小于低溫時峰值，溫度升高對空氣流動的均勻性稍有貢獻(xiàn)，但程度很小?？傮w來說，環(huán)境溫度對環(huán)腔風(fēng)的中立特性影響不敏感。

圖17　不同溫度下切向風(fēng)速Fig.17 Tangential velocity vs. temperature

3　結(jié)論

本文應(yīng)用STAR CCM+軟件對CAP1400的非能動安全殼冷卻系統(tǒng)的空氣流道及外部流場進(jìn)行耦合仿真分析，研究結(jié)果表明：

（1）不同環(huán)境風(fēng)速下，上升段底部具有較好的風(fēng)的中立特性，隨著高度的增加，空氣流動愈加均勻。環(huán)境風(fēng)速越大，迎風(fēng)面和背風(fēng)面的軸向速度差異越大，但總體不影響風(fēng)中立的結(jié)論。

（2）不同風(fēng)向角下，上升段空氣流動均表現(xiàn)為風(fēng)的中立，且風(fēng)向角絕對值越大，風(fēng)的中立特性越明顯。

（3）環(huán)境溫度對風(fēng)的中立特性不敏感。

（4）總的來說，CAP1400反應(yīng)堆的非能動安全殼冷卻系統(tǒng)的空氣流道具有風(fēng)的中立特性，滿足系統(tǒng)對環(huán)境風(fēng)不敏感的設(shè)計(jì)要求。

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Research of Wind Influence on Wind-neutrality Characteristic for
Large Passive Nuclear Power Plant

PANXinxin，HUANGJingyu，XIANGWenjuan，SONGChunjing
（Shanghai Nuclear Engineering Researchand Design Institute，Shanghai200233，China）

Abstract:During long-term period following an accident for passive nuclear power plant，the containment cooling depends on passive air flow path. In design the flow characteristic in air flow path should be not sensitive to the environment wind. In this paper，the 1∶1 CFD（Computational Fluid Dynamics）model for CAP1400 which is a large advanced passive nuclear power plant is established with STAR-CCM+，and then different factors such as wind velocity，wind direction and temperature are studied. Finally，the CAP1400 passive air flow path wind-neutrality characteristic is obtained.

Keywords:environment wind；air flow path；wind-neutrality

中圖分類號：TL37

文章標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-5360（2016）01-0055-06

收稿日期：2016-01-05修回日期：2016-02-16

基金項(xiàng)目：國家重大科技專項(xiàng)，項(xiàng)目編號2011ZX06002-001

作者簡介：潘新新（1981—），男，遼寧大連人，高級工程師，博士，現(xiàn)主要從事工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究工作