非能动安全壳冷却系统外侧辐射换热与自然对流研究

作者:郭建娣;韩伟实 刊名:原子能科学技术 上传者:许贵存

【摘要】本文建立了1∶10的二维钢制安全壳外侧辐射换热和自然对流模型,并用先进流体计算软件Fluent对流场进行计算,得到了完整流道下的速度流场、钢制安全壳上封头顶部的空气速度矢量图,并得出钢制安全壳上封头顶部存在空气滞留区的结论。分析了通道宽度、空气进流速度及壁面黑度对通道换热的影响,结果表明:适当的通道宽度和空气进流速度均能提高通道的换热和换热效率;壁面黑度的提高能明显增强钢制安全壳上封头处的辐射换热。

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AP1000是基于非能动型压水堆核电技术的第三代核电站,其非能动安全系统可利用固有的热工水力特性,通过重力、自然循环、压缩空气来实现系统功能[1-4]。非能动安全壳冷却系统是非能动安全系统的重要组成部分,可在发生任何导致钢制安全壳内压力与温度剧增的设计基准事故时,排出钢制安全壳内大气的热量,并传至环境,有效抑制并降低钢制安全壳内的温度和压力,保证事故工况下钢制安全壳的完整性[5-6]。非能动安全壳冷却系统以钢制安全壳为传热面,主要依靠外表面的水膜蒸发、辐射换热和自然对流带走从内表面传导出的热量。由于储水箱的储水量有限,待冷却水用完后钢制安全壳外的辐射换热和自然对流成为主要换热方式。另外,目前对钢制安全壳外侧通道的辐射换热和自然对流方面的研究多简化为矩形通道进行分析,导致对钢制安全壳上封头的流场了解甚少。因此,有必要建立钢制安全壳外侧通道的完整模型进行计算分析。本文用Gambit建立110的钢制安全壳外侧完整通道的二维模型,采用Fluent计算分析整个通道的流场分布,并分析通道宽度、空气进流速度和壁面黑度对换热的影响。1安全壳二维物理模型的建立1.1几何模型钢制安全壳外侧的流道主要由两部分组成:1)混凝土安全壳和导流板之间的空气下降流道;2)钢制安全壳和导流板之间的水蒸气-空气混合气体上升流道。为便于分析计算,本文在建模的过程中进行以下3点假设:1)将模型简化为二维图形,并取其中1/2用以计算分析;2)本文主要研究钢制安全壳外表面侧的物理场分布,因此不考虑导流板和混凝土安全壳间的流道;3)导流板与混凝土安全壳连接处的圆弧过渡段在建模时可简化为直线连接。所建立的模型如图1所示。1.2计算域网格化由于本模型存在细长流道及不规则形状流道,因此划分网格时先将几何模型分块,再根据每个子区域的特点进行网格划分,子区域网格如图2所示。网格类型和划分方法列于表1。为得到更快的计算速度和收敛性,各子区域的网格根据子区域几何形状和计算精度要求划分。对于空气入口段,加密网格以保证计算的稳定性;在细长通道上,在两侧壁面加入边界层网格,使网格呈中间疏两侧密的分布,具体优化过程将在下文介绍;在钢制安全壳上封头上,由于计算重点是钢制安全壳表面,因此,在钢制安全壳壁面处进行网格加密处理;对于不是计算重点的出口上,适当减少网格数量以提高计算速度。图1二维流道计算模型Fig.12Dcomputationmodelofflowchannel图2子区域网格分布Fig.2Distributionofsubregionmesh表1子区域网格类型及划分方法Table1Subregionmeshtypeandgenerationmethod子区域网格类型网格划分方法QuadMapQuadMapTriPaveQuadMap1.3计算模型选取本文选用标准湍流双方程模型,并开启浮升力作用项。辐射模型选用Do模型,自然对流采用Boussinesq近似模型。1.4边界条件模型的边界主要包括空气入口、空气出口和固体壁面。在边界条件设置中,空气入口设为速度入口;空气出口设为压力出口,压力为101325Pa;固体壁面均设为无滑移、无渗透壁面,除钢制安全壳(图1中A-B-C段)设为加热壁面外(热流密度0.9kW/m2),其余壁面均设为绝热边界。在操作条件中设置重力项,以便考虑重力的作用,工作压力设为101325Pa。1.5求解方法的选取本文采用Simple算法耦合压力场和速度场,离散格式均采用二阶迎风格式。2计算结果分析2.1计算域网格优化由于竖直通道是一窄通道,长宽比很大,因此径向上的网格数需通过计算来确定。设

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