非能动安全壳冷却系统传热关系式研究

作者:蒋孝蔚;余红星;孙玉发;雍泾 刊名:核动力工程 上传者:朱亚利

【摘要】利用低雷诺数区域的计算流体力学(CFD)模型对非能动安全壳冷却系统(PCCS)COPAIN冷凝试验装置进行模拟,针对其对流传热试验工况进行理论计算,并用COPAIN试验数据进行验证。利用验证后的CFD模型将COPAIN试验对流换热工况参数扩展到温差为40~80℃区域,通过理论计算得到对流传热Nusselt数,并拟合出与Dittus-Boelter关系式形式相似的传热关系式。最后,将经该关系式闭合的集总参数法程序冷凝模型的冷凝传热结果与西屋公司为AP600开展的Wisconsin冷凝试验数据进行对比,结果显示,经新关系式闭合的冷凝传热模型计算结果更接近于试验值。

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0引言非能动安全壳冷却系统(PCCS)采用双层安全壳设计,依赖钢安全壳内壁面上的蒸汽冷凝和外壁面上的液膜蒸发传热机制将安全壳内的热量传递给外部环境。与无外部冷却的传统干式安全壳不同,PCCS显著增大了壁面和安全壳大气之间的温差,壁面绝对温度也将降低,从而影响冷凝的相关特性。因此,有必要对传热模型进行验证,以确认PCCS实现安全功能的能力。目前主流集总参数法安全壳分析程序计算冷凝传热的模型多为应用传热传质相似理论的模型,这些模型在预测PCCS内的冷凝现象时往往低估了冷凝传热近40%[1-2]。原因之一在于这些模型多是在Colburn-Hougen模型上考虑不同假设简化而来,不同程度的简化造成了模型的非普适性;原因之二在于模型闭合所需的传热关系式不完全适用于PCCS运行工况下较高温差的情况,如AP1000安全壳分析所采用的Dittus-Boelter关系式[3]适用于中等温差(小于50℃)的情况[4],而带外部冷却的PCCS设计在事故工况下安全壳大气与壁面之间的温差就可能超出中等温差的区域。本研究利用基于CONAN试验基准题[5]发展而来的低雷诺数区域计算流体力学(CFD)模型对COPAIN冷凝试验装置进行模拟,并对其对流传热试验工况进行理论计算,并用试验数据进行验证。1 PCCS运行工况对流传热研究传统安全壳分析所用对流传热关系式相关的试验范围只覆盖中等温差范围,超出中等温差的试验工况,则缺乏试验数据(如PCCS运行工况)。因此,本节利用CFD方法对COPAIN冷凝试验对流传热工况进行模拟,并扩展到PCCS运行工况所处的温差范围内。CFD模型采用CEA开发的三维计算平台CASTEM,并基于CEA+饱和工况冷凝试验CONAN基准题模型发展而来。为确定该模型对高温差下对流传热预测的准确性,首先利用COPAIN试验装置冷凝试验对流传热工况的数据对该模型进行验证[5]。CFD模型计算区域为2D矩形通道,采用低雷诺数下的NAVIER-STOKES方程进行求解,其基本方程如下:质量守恒方程为:1t????????????????v v??????(1)动量守恒方程为:Pt??????????vv v???????0 T???g????????(2)能量输运方程为:??p TDT DPc TDt Dt??????????????????1Nph h d,hh?c Y T?????????u???(3)组分输运方程为:??ii i d,i T iYY Y D Yt??????????v u?????????(4)式中,v为速度,m/s;ρ为密度,ρ0为参考工况下的密度,kg/m3;g为重力加速度,m/s2;D为扩散系数,m2/s;cp为等压比热容,J/kg;P为压力,Pa;T为温度,K;λ为热导率,T?为温度T下的热导率,W/(m2·K);Y为质量分数;下标h和i表示各组分;t为时间,s;d,hu为h组分的扩散速度。COPAIN试验装置计算区域见图1。针对对流传热工况试验数据分别计算不同入口流速、入口温度、壁温情况下的对流换热,图2给出了典型工况P024_2(温差约110℃)及P029_2(温差约80℃)下的热流密度轴向分布与试验数据的对比。对比结果显示,大部分对流传热工况下的热图1 COPAIN试验装置冷凝通道计算区域Fig.1 Computational Domain of COPAIN Tests图2对流传热工况热流密度轴向分布Fig.2 Heat Flux Axial Distribution inConvective Heat Transfer Case

参考文献

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