非能动安全壳冷却系统热工水力数值方法研究

发布时间：2020-10-17 03:32

　　安全壳是防止放射性物质泄漏的第三道安全屏障。先进非能动安全壳通过内部的自然循环及蒸汽冷凝和外部自然循环及液膜蒸发将事故下的热量导出,从而确保安全壳完整性,防止放射性物质泄漏到环境中。目前,有关非能动安全壳热工水力的实验及数值模拟均有较深入的研究,但限于其复杂结构及物理过程,将内、外流场人为分开进行单独研究,使得问题得以简化。显然这与非能动安全壳的实际工作过程有所不同。而这两个过程是相互影响的,理应耦合求解。且经文献调研后发现对于流体间的耦合传热数值方法也有待进一步研究。鉴于此,本文针对先进反应堆非能动安全壳内外耦合传热过程进行了理论分析,基于CFD工具对先进反应堆非能动安全壳冷却系统进行了数值分析。首先,基于ANSYS FLUENT商用CFD软件,采用分区求解方法对两流体耦合传热进行了数值研究,并通过理论分析揭示了其交替迭代收敛特性及其影响因素。结果表明两侧冷热流体对流换热系数比值对迭代收敛有着重要影响。交替迭代过程收敛与否,与对流换热系数比值、选择迭代的边界条件类型及首次迭代计算域的选取有关。此外针对对流换热系数比值变化复杂的工况提出了松弛修正方案,计算结果表明该松弛修正不仅能够改善收敛并能加快收敛。提出了三种求解方案:松弛因子法、参考温度法和换热系数比值法,将FLUENT中Scheme程序与用户自定义函数结合起来,实现了耦合传热问题的分区求解。该耦合问题求解方法为分区求解在非能动安全壳中的深入应用提供了理论基础。随后在单相情况下,使用分区求解对非能动安全壳的传热过程进行了分析,并与整场求解结果进行了对比,两者吻合较好。此外利用分区求解所得交界面壁温及热流密度分布获得了交界面的平均温度及平均热流密度,以此作为内外流场单独计算时的边界条件。针对本文所选工况,计算结果表明,使用平均热流密度计算结果更为合理,使用平均温度作为边界条件时,外部流场所得换热量偏小,偏差约6%,内部流场所得换热量偏大,偏差约12%。最后,将分区求解应用于蒸发与冷凝耦合传热的模拟中,并分别对单一流场计算时的蒸发模型和冷凝模型进行了准确性验证,然后使用分区求解将两者耦合计算,并获得了较为合理的结果,在此基础上讨论了环境温度对于该耦合传热过程的影响。
【学位单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TL364.3
【部分图文】：

示意图,非能动安全,内外流场,自然循环

意义够在事故（如失水事故、地震）发生时，阻止从一，是确保核电厂周围居民安全的最后一道屏障。作，采用了非能动的冷却方式，在事故发生后 72 小的热量导出，使安全壳的压力温度均保持在规定的如图 1.1 所示，为非能动安全壳内外流场自然循环者蒸汽发生器等设备破损导致高温蒸汽进入安全壳自然循环，并在钢安全壳内壁面冷凝通过潜热的方壳壁内的热传导将热量传递出安全壳。同时，在事壳外壁面的加热进行自然循环自动将内部传递出的度超过一定限值时开启安全壳顶部水箱的阀门，在通过液膜的蒸发作用将热量带走，使安全壳内部的能动安全壳的完整性，防止放射性物质泄漏。

示意图,间隔板,流体,示意图

第 2 章耦合对流换热分区求解收敛特性分析本文基于 ANSYS FLUENT 商用软件对流体间耦合传热过程进行数值分析，对分区求解迭代过程中的误差传递特性、迭代收敛特性及收敛速度等影响因素进行了分析，并将结果与相应整场计算方法所得结果进行对比验证。2.1 数值方法分析2.1.1 方法描述如图 2.1 所示，平行平板通道间的左右两侧冷热流体通过中间薄板耦合传热。左右两侧流体的平均温度分别为f1T 和f2T ，f1 f2T T，热量由高温流体传递给低温流体，两者对于平板的对流换热系数为1h 和2h ，薄板左右两侧壁温分别为w1T 和w2T ，薄板厚度为 x，导热系数为，选择薄板右侧流固耦合交界面作为耦合传热的参考面。对该耦合换热过程使用分区方法进行求解。计算流程图如图 2.2 所示。

流程图,分区求解,流程图,耦合传热