AP1000蒸汽发生器一次侧流体的流动传热特性数值模拟研究

发布时间：2020-10-09 11:14

　　 AP1000是我国从美国西屋公司引进的第三代核电技术,蒸汽发生器是其中重要组成部分,也是一回路和二回路的连接枢纽。一回路为冷却水经反应堆堆芯加热后进入蒸汽发生器,通过U型换热管壁与二回路的水进行传热,然后由泵输送回反应堆本体循环系统。一回路流体在蒸汽发生器内的流动传热过程称为一次侧流动传热。一次侧流体的流动换热特性决定着一回路泵的选型、U型管束设计排布及与二次侧的换热特性等。目前传统的研究方法还主要基于经验公式和实验研究,本文采用CFD数值模拟方法对一次侧的流动换热特性开展研究。论文工作主要包括AP1000蒸汽发生器各部件(下封头、U型换热管)的流动特性CFD数值模拟研究和蒸汽发生器整体流动传热特性数值模拟研究两部分。通过蒸汽发生器各部件的流动特性研究,建立了下封头进口腔室、出口腔室和单根U型管的CFD分析模型。下封头进、出口腔室建模时不仅保留了管板而且保留了10025根U型150mm高度的换热管；下封头进、出口腔室的数值模拟获得了腔室内详细流场分布、压降损失和进入各U型管束的流量分布等流场特性,通过与压力损失经验关系式计算结果对比,说明了传统阻力模型并不能准确描述这种复杂腔室内的流动损失特性；按照平均长度建立了单根U型管的分析模型,并通过不同流量工况计算,拟合获得单管的压降特性与流速关系式,为蒸汽发生器整体计算时对U型管束模型简化提供了依据。 AP1000蒸汽发生器一次侧换热管数量为10025根,平均单管长径比达到1500,在管板上分布半径达2m,如建立实际结构整体CFD模型所需模型网格数量要百亿量级。本文采用多孔介质模型对U型换热管束结构进行简化,建立了蒸汽发生器一次侧整体CFD分析模型。文中对建立U型管束多孔介质模型所涉及的阻力模型、传热模型以及适应U型结构的模型参数设置进行了详细分析讨论。对多孔介质区域与下封头结构两种联接简化模型(多孔介质区域直接与下封头腔室联接和通过150mm的U型管与下封头腔室联接)的对比分析表明：两种模型整体压降计算结果与西屋公司提供的压力损失,三者相差不超过5%,而进入多孔区域内的流量分配两模型差异超过20%。对多孔介质区两种换热模型(均匀模型和与一次侧局部温度耦合的分布式热源模型)的对比分析表明：分布式热源模型计算得到的管束进出口温差分布和横截面温度分布都更均匀,也更符合工程实际运行现象。本文研究表明：采用保留150mm的U型管束与下封头联接,其余U型管束进行多孔介质简化的方法,建立的AP1000蒸汽发生器整体CFD分析模型可以较准确地预测一次侧的流动传热特性,为一回路的设计提供参考数据。
【学位单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TL353.13
【部分图文】：

网格图,进口部分,封头,网格

图3-3下封头进口部分网格Fig. 3-3 Mesh of inlet plenum分别以下封头进口部分和出口部分的总压降作为评判标准对模型进行网格性分析，结果如图3-5(a)和3-505)所示。对比下封头进口部分的2、3、4号网格型可以发现当网格数量增加10%和17%时，压降仅改变4%和1.7%;对比2、5、

封头,出口接管,隔板,管板

3.4模拟结果分析下封头是一个半球形腔体（如图3-6所示），由隔板从中间分成进口腔室和出口腔室两部分，进口接管位于进口腔室，与隔板的夹角为33.6°，反应堆堆芯的冷却水通过进口接管流入进口腔室，并最终进入U型换热管，将热量传递给二次侧。出口腔室包括两个与隔板平行布置的出口接管，出口接管连接主粟，在冷却水与二次侧换热之后将其重新输送至反应堆堆芯位置吸收堆芯热量。腔室上面布置高度为790.7_的管板，管板仍然在隔板位置被分成左右两个半区，每个半区都分布有10025个直径为17.48mm的圆孔

管网,网格

图4-5 U型管网格划分Fig. 4-5 Mesh of the U-tube以一次侧进出口总压降作为评判标准对模型I进行网格敏感性分析，结果如图4-6所示。对比模型I的2、3、4号网格模型可以发现当网格数量增加15%时，一次侧压降仅改变0.3%;对比2、5、6、7、8号网格模型结果，可以看出附面层由1层增加至3层时，压降呈单调上升趋势，但增加至4层和5层时，压降值最大改变0.8%。综合考虑计算时间和精度，模型I最终采用编号2的网格参数，网格总数量约为1800万。模型II与模型I采用相同的网格设置，由于增加了一段换热管束，模型II最终网格数量约为4000万。表4-1网格设置Table 4-1 Mesh setup最大体网格尺寸附面层第一层网格高度附面层层网格单元编号 1：[^率 (mm) (mm) ^ 数1 280 1.4 1.2 3 18064297

【参考文献】