非能动安全壳冷却系统CFD冷凝和蒸发模型研究

作者:李懿;武建新 刊名:科技创新与应用 上传者:熊太纯

【摘要】在非能动安全壳冷却系统CFD冷凝模型和蒸发模型的开发过程中,应用了计算流体动力学程序平台CASTEM。采用了Buleev湍流模型和k-ε湍流模型作为冷凝模型,采用了G.Aiello发展液膜蒸发模型作为蒸发模型。经过研究和试验证明,试验值和计算值之间,具有较为良好的吻合度,因此,在非能动安全壳冷却系统当中,能够采用建立的冷凝模型和蒸发模型对其稳态下的传热传质特性进行模拟。

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科 技 创 新 20l6年第6期 I科技创新与应用 非能动安全壳冷却系统CF 泠凝和蒸发模型研究 李 懿 武 建新 (内蒙古工业大学,内蒙古 呼和浩特 010051) 摘 要:在 非能动安全壳冷却 系统 CFD冷凝模 型和蒸发模型的开发过程 中,应用 了计算流体动力学程序平台 CASTEM。采用了 Buleev湍流模 型和 k-e湍流模型作为冷凝模型 ,采用 了 G.Aiello发展液膜蒸发模型作为蒸发模型。经过研究和试验证 明,试验值 和计算值之 间,具有较 为良好的吻合度 ,因此,在非能动安全 壳冷却 系统当中,能够采用建立的冷凝模 型和蒸发模 型对其稳态下 的传热传质特性进行模拟。 关键词:非能动安全壳冷却系统;CFD;冷凝模型;蒸发模型 前言 在先进压水堆的一些假想事故 ,例如失水事故 当中 ,利用非能 动安全壳冷却系统对安全壳进行排热处理 。设计了双层的安全壳结 构,其中事故之后的传热面为内层的钢安全壳。在发生失水事故之 后 ,破 口处会有冷却剂泄漏到安全壳当中,在低 压状态下闪蒸 ,利用 冷凝机制、对流机制等,向钢安全壳壁传递热量,然后经过壁面向外 侧流动液膜传递。液膜受热蒸发,会形成向上流动的水蒸汽,从而从 安全壳顶部开 口出带走热量。 1冷凝模型 在冷凝模型当中,2D矩形通道是其计算区域,对低雷诺数下的 NAVIER—STOKES方程进行计算,能够得到相应的质量守恒方程、 动量守恒方程、能量守恒方程、组分传输方程等。分别采用了Buleev 湍流模型和 Chien k-8湍流模型【l1。其中,Buleev湍流模型具有良好 的鲁棒性 ,Chien k-e湍流模型则具有 良好的准确性。通过 COPAIN 冷凝试验对冷凝模型进行数据验证。结合实际情况,对 79个验证工 况进行计算,其中,利用两种模型分别计算了59个工况和 2o个工 况。最终得出的总冷凝质量流率计算值与试验值之间,存在着 15% 以内的偏差,证明了冷凝模型具有良好的准确性,能够用于非能动 安全壳冷却系统 CFD模型的建立。 2蒸发模型 在蒸发模型当中,针对非能动安全壳冷却系统中,钢安全壳外 侧的空气环腔,利用 G.Aiello进行了相应的 1D模型的开发。在模型 当中,对液膜 、空气之间的质量平衡、能量平衡等进行了兼顾,具体 分为蒸发传热、对流传热、传导传热等不同的液膜主要传热机理。在 模型当中,主要是通过湿空气能量平衡方程 、液膜质量平衡方程 、湿 空气动量平衡方程等进行求解,同时将总热流密度方程、对流热流 密度 、液膜蒸 发质 量流密度 、液膜蒸发热流密度等作 为求解 的辅助 方程嘲。 如果工况 中存在无液膜覆盖 的干壁状态 ,在模型当中,利用 CF x一4程度进行计算,并且验证得到的结果,从而证明了模型与程序 的计算结果比较相符。如果工况是有液膜覆盖的湿壁状态,可利用 Park和 Kang的蒸发试验进行验证,计算数值采用干壁工况状态下 的标定值。通过计算,能够得出在轴向平均传热系数中,随着入口空 气流速变化曲线和试验值的对比情况,从而得出在蒸发模型中,计 算值和试验值 比较相符 。由此可见 ,蒸发模型在于壁工况和湿壁工 况下,都具有较高的准确度 ,因而能够用于非动能安全壳冷却系统 CFD模 型 的建 立 。 3非能动安全科冷凝系统 CFD模型 根据前面开发完成的冷凝模型和蒸发模型 ,可以进行非动能安 全壳冷却系统 CFD模型的建立。在该 CFD模型当中,根据边界条 件、几何参数等相关的参数,例如蒸发通道的高度、宽度、压力、入口 温度;冷凝板的高度、厚度;冷凝通道的高度

参考文献

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