基于流固耦合的核電廠蒸汽發(fā)生器主給水接管瞬態(tài)溫度場(chǎng)分析

張文其　黃偉　何戈寧　李冬慧　胡彧　魯佳

【摘 要】核電廠蒸汽發(fā)生器（SG）發(fā)生某些瞬態(tài)波動(dòng)時(shí)，主給水系統(tǒng)停運(yùn)并切換至輔助給水，將使主給水接管嘴內(nèi)流體產(chǎn)生較大的溫度梯度，對(duì)主給水接管嘴材料造成較大的熱沖擊。為了準(zhǔn)確評(píng)價(jià)熱沖擊影響，就需要對(duì)主給水接管的溫度場(chǎng)進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算。本文采用流固耦合的計(jì)算方法，利用商用計(jì)算流體力學(xué)進(jìn)行計(jì)算分析，獲得了瞬態(tài)工況中不同時(shí)間、不同位置的流場(chǎng)及溫度場(chǎng)分布情況。利用本文的計(jì)算結(jié)果，可以更準(zhǔn)確的對(duì)瞬態(tài)工況下主給水接管的熱沖擊影響進(jìn)行評(píng)價(jià)。

【關(guān)鍵詞】流固耦合；蒸汽發(fā)生器；主給水接管；瞬態(tài)溫度場(chǎng)分析

中圖分類號(hào)： TH313 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2017）26-0088-002

Transient Temperature Field Analysis of Main Water Supply Tube for Steam Generator Based on Fluid-Structure Coupling

ZHANG Wen-qi HUANG Wei HE Ge-ning LI Dong-hui HU Lu LU Jia

（China Nuclear Power Research Institute，Chengdu 610000，China）

【Abstract】When some transient fluctuations occur in the steam generator（SG）of a nuclear power plant，the main water supply system is shut down and switched to auxiliary water supply，which causes a large temperature gradient in the fluid in the main water supply nozzle.Caused a greater thermal shock.In order to accurately evaluate the impact of thermal shock，it is necessary to accurately calculate the temperature field of the main water supply pipe.In this paper， fluid-solid coupling calculation method is used to calculate and analyze with commercial computational fluid dynamics to obtain the distribution of flow field and temperature field at different times and locations in transient conditions.The results of this paper can be used to evaluate the influence of thermal shock on the main feed water pipe under transient conditions more accurately.

【Key words】Fluid-structure coupling；Steam generator；Main feed water connection；Transient temperature field analysis

0 引言

核電廠蒸汽發(fā)生器（簡(jiǎn)稱SG）的給水通常分為主給水、啟動(dòng)給水、輔助給水等幾類。這些給水通過蒸汽發(fā)生器二次側(cè)承壓筒體上的給水接管嘴引入SG。

額定功率運(yùn)行時(shí)，主給水溫度較高（約226℃）。當(dāng)核電廠發(fā)生某些瞬態(tài)波動(dòng)時(shí)，主給水系統(tǒng)停運(yùn)并切換至輔助給水。由于輔助給水溫度很低（冬季僅7℃），其引入SG內(nèi)部過程中將使主給水接管嘴內(nèi)流體產(chǎn)生較大的溫度梯度，產(chǎn)生較大的溫差應(yīng)力，對(duì)主給水接管嘴材料造成較大的熱沖擊。

為了評(píng)價(jià)上述瞬態(tài)工況對(duì)設(shè)備的熱沖擊影響，就需要對(duì)主給水接管內(nèi)的流場(chǎng)以及主給水接管嘴金屬材料的溫度場(chǎng)進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算。

目前某些工程采用了簡(jiǎn)單假設(shè)方法，假設(shè)輔助給水引入時(shí)，給水接管嘴內(nèi)部流體邊界壁溫立即變?yōu)檩^低溫度（7℃）。這種假設(shè)過于簡(jiǎn)化，難以準(zhǔn)確判斷出溫差應(yīng)力最大的位置。

本文采用流固耦合的計(jì)算方法，利用商用計(jì)算流體力學(xué)進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算瞬態(tài)工況中不同時(shí)間、不同位置的流程及溫度場(chǎng)分布情況。

1 計(jì)算模型建立

1.1 物理模型建立

蒸汽發(fā)生器的主給水接管嘴通常設(shè)置在SG上部筒體位置并在主給水接管嘴內(nèi)側(cè)設(shè)置防熱沖擊套管，在防熱沖擊套管末端連接主給水母管彎頭、三通、給水環(huán)等結(jié)構(gòu)，見圖1。

由于本文的分析針對(duì)瞬態(tài)工況，需要考慮給水接管及防熱沖擊套管與給水接管內(nèi)流體的傳熱、需要考慮防熱沖擊套管和給水接管與其間流體的傳熱，同時(shí)給水接管及其鄰近區(qū)域金屬的熱容及其變化也需進(jìn)行考慮。因此，本文建立三維流固耦合分析物理模型，模型包括流體區(qū)域以及固體區(qū)域?？紤]到SG內(nèi)部的主給水母管彎頭、三通、給水環(huán)等結(jié)構(gòu)屬于非承壓件，不在分析的范圍內(nèi)。本文的物理模型包括給水接管內(nèi)的流體區(qū)域以及防熱沖擊套管與給水接管間的流體區(qū)域以及SG二次側(cè)承壓殼體、主給水接管、防熱沖擊套管等固體區(qū)域。不同區(qū)域的材料見表1。

由于物理結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱性，計(jì)算模型采用二分之一模型。計(jì)算采用的物理模型見圖2。

1.2 網(wǎng)格劃分及計(jì)算模型

使用商用CFD網(wǎng)格軟件劃分6面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，在接近固體壁面處的流體區(qū)域?qū)W(wǎng)格進(jìn)行加密處理，網(wǎng)格數(shù)量約750萬(wàn)。湍流模型選擇兩方程的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，離散格式采用二階迎風(fēng)格式。由于計(jì)算所涉及溫差較大、流體密度差較大，計(jì)算中考慮了重力加速度對(duì)流場(chǎng)的影響。endprint

2 瞬態(tài)邊界條件

第2章所述的物理模型中，對(duì)稱面采用對(duì)稱邊界條件、SG筒體及主給水接管嘴外壁采用絕熱邊界條件（電廠運(yùn)行時(shí)，SG外側(cè)有保溫層，保溫層的熱損失與SG熱功率相比可以忽略），其余邊界條件均需根據(jù)瞬態(tài)工況的實(shí)際情況給出。

由于本文所涉及的瞬態(tài)邊界條件較為復(fù)雜，無法通過商用CFD軟件的常規(guī)邊界條件輸入方法進(jìn)行輸入，本文的計(jì)算采用用戶自定義函數(shù)（User-Defined Functions，即UDF）方法，編寫自定義程序給定瞬態(tài)邊界條件。

UDF是商用CFD軟件Fluent自帶的用戶自定義接口，采用C語(yǔ)言編寫自定義函數(shù)，能夠產(chǎn)生依賴于時(shí)間，位移和流場(chǎng)變量相關(guān)的邊界條件。本文采用interpreted型的UDF進(jìn)行計(jì)算。

本節(jié)以較典型的瞬態(tài)工況（汽機(jī)跳閘，反應(yīng)堆停堆，第15s時(shí)主給水切換至輔助給水）為例，給出計(jì)算的瞬態(tài)邊界條件。

2.1 給水入口

給水入口采用流量入口邊界條件，流量及流體溫度變化見圖3、圖4。兩圖中120s以后的數(shù)據(jù)維持不變，故不再詳細(xì)繪出。圖3中歸一化流量為實(shí)際流量與額定功率流量的比值。

2.2 給水出口

給水出口采用壓力出口邊界條件，給水出口背壓變化見圖5。其中，零點(diǎn)代表額定功率時(shí)的出口背壓。

2.3 SG內(nèi)部壁溫

SG二次側(cè)承壓殼體、主給水接管、防熱沖擊套管等固體區(qū)域的內(nèi)側(cè)直接與SG內(nèi)部流體接觸，對(duì)這些表面，根據(jù)SG內(nèi)部流體溫度給定溫度邊界條件，見圖6。其中，零點(diǎn)代表額定功率時(shí)SG內(nèi)部的溫度。

3 計(jì)算結(jié)果

圖7是主給水切換至輔助給水（第15s時(shí)切換）后在給水接管中心截面上不同時(shí)刻的溫度場(chǎng)分布云圖?？梢悦黠@看出，主給水切換至輔助給水后，在給水接管內(nèi)產(chǎn)生了較為明顯的冷熱分層現(xiàn)象。

進(jìn)一步對(duì)計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，沿給水接管軸向，對(duì)每一截面的給水流體邊界壁溫進(jìn)行下包絡(luò)，并將下包絡(luò)處理后的每一截面溫度按圖8中所示坐標(biāo)（坐標(biāo)原點(diǎn)為SG給水接管嘴端面）給出。

整理得到的不同時(shí)刻、不同截面的流體邊界壁溫曲線，見圖9。

可以看出，主給水切換至輔助給水后，流體邊界溫度隨時(shí)間推移而逐漸降低。在計(jì)算第100s時(shí)，流體邊界壁溫降至100℃～130℃；計(jì)算第400s時(shí)，流體邊界壁溫進(jìn)一步降低，給水接管嘴端部溫度降至僅20度，而防熱沖擊套管端部以內(nèi)的區(qū)域，壁溫仍維持較高溫度（約100℃）；從計(jì)算第400s至第1825s，流動(dòng)已趨于穩(wěn)定，流體邊界壁溫梯度基本維持不變，溫度隨著SG內(nèi)部溫度的降低而降低。

在流體邊界上，防熱沖擊套管端部圓角區(qū)域，均可以觀察到一個(gè)明顯的溫度梯度突變區(qū)。

4 結(jié)論

本文采用流固耦合的計(jì)算方法，利用商用計(jì)算流體力學(xué)進(jìn)行計(jì)算分析，獲得了蒸汽發(fā)生器主給水接在瞬態(tài)工況下的溫度場(chǎng)分布情況。

從計(jì)算結(jié)果可以看出，瞬態(tài)工況下蒸汽發(fā)生器給水接管內(nèi)溫度分布情況較為復(fù)雜：主給水切換至輔助給水后，在給水接管內(nèi)產(chǎn)生了較為明顯的冷熱分層現(xiàn)象。且在流體邊界上，防熱沖擊套管端部圓角區(qū)域，存在一個(gè)明顯的溫度突變區(qū)。

顯然，某些工程采用的將輔助給水引入后給水接管嘴內(nèi)部流體邊界統(tǒng)一設(shè)為較低溫度的做法過于簡(jiǎn)單，不能代表實(shí)際情況。建議在進(jìn)行主給水接管熱沖擊分析計(jì)算時(shí)，按本文的方法計(jì)算溫度場(chǎng)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]John D Anderson.Computational Fluid Dynamics（中譯本）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[2]張建文，楊振亞，張政.流體流動(dòng)與傳熱過程的數(shù)值模擬基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.endprint