非能动安全壳冷却系统CFD冷凝和蒸发模型研究

作者:黄代顺;蒋孝蔚;余红星 刊名:核动力工程 上传者:李广征

【摘要】利用计算流体动力学(CFD)程序平台CASTEM,开发非能动安全壳冷却系统的冷凝、蒸发模型。冷凝模型中分别采用Buleev和k-ε两种湍流模型,蒸发模型采用了G.Aiello(2009)发展的液膜蒸发模型。试验验证分析表明,计算值与试验值吻合较好,所建立的冷凝、蒸发模型能较好地模拟非能动安全壳冷却系统在稳态下的传热传质特性。

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1引言先进压水堆中,非能动安全壳冷却系统用于失水事故(LOCA)等假想事故后的安全壳排热。非能动安全壳冷却系统为双层安全壳设计,内层的钢安全壳作为事故后的传热面。LOCA发生后,冷却剂从破口喷放到安全壳内,在较低压力下发生闪蒸,通过对流和冷凝的机制将热量传递给钢安全壳壁,热量再以热传导的方式通过壁面传递给外侧流动的液膜。液膜受热蒸发,形成的水蒸气进入外部流道内的空气中。空气受热向上流动,将热量从安全壳顶部开口带入环境中。在整个运行机制中,对流传热、蒸汽冷凝及液膜蒸发是非能动安全壳冷却系统实现其安全功能的重要机制,因此,需要对这几种传热机理加以研究以了解非能动安全壳冷却系统在事故工况下的带热能力。利用计算流体力学(CFD)程序平台CASTEM开发了非能动安全壳冷却系统的冷凝、蒸发模型,并利用COPAIN冷凝试验及Kang和Park液膜蒸发试验进行验证。与试验数据的对比显示,冷凝模型和蒸发模型的模拟结果与试验数据符合得较好。最后,利用冷凝、蒸发模型建立非能动安全壳冷却系统CFD模型,对反映非能动安全壳冷却系统运行特性的通用参数工况进行了分析,其结果能较好地反映非能动安全壳冷却系统在稳态下传热传质过程中相关参数的分布特性。该CFD模型可用于非能动安全壳冷却系统钢安全壳内表面蒸汽冷凝现象和外表面液膜蒸发现象的耦合研究,了解事故下非能动安全壳冷却系统的传热特性。2非能动安全壳冷却系统CFD模型非能动安全壳冷却系统CFD模型见图1。研究过程包括冷凝和蒸发模型开发、建立非能动安全壳冷却系统CFD模型和试验验证等方面内容。2.1冷凝模型及试验验证冷凝模型计算区域为2D矩形通道,采用低图1非能动安全壳冷却系统CFD模型示意图Fig.1SchematicDiagramofCFDModelforPassiveContainmentCoolingSystem雷诺数下的NAVIER-STOKES方程进行求解,其基本方程[1]如下:质量守恒方程:vvt1(1)动量守恒方程:Pgt0vvvT(2)能量守恒方程:TDtDPDtDTcpTNhphhhcYT1,d,u(3)组份传输方程:iiiiiYYDYtYd,Tvu(4)湍流模型分别采用Buleev模型和Chienk-模型,前者鲁棒性较好,后者准确度更高。冷凝模型利用COPAIN冷凝试验[2]数据进行验证。针对试验数据,分别计算了79个验证工况,其中利用Buleev模型计算了59个工况,k-模型计算了20个工况。总冷凝质量流率计算值与试验值的偏差在15%以内(图2),显示冷凝模型足够准确,可用于建立非能动安全壳冷却系统CFD模型。2.2蒸发模型及试验验证蒸发模型采用G.Aiello[3]针对非能动安全壳冷却系统钢安全壳外侧空气环腔开发的1D模型。该模型考虑了液膜和空气之间的能量和质量平图2采用Chien模型计算得到的总的冷凝质量流率与试验值的对比Fig.2ComparisonbetweenComputedCondensationFlowRateusingChien’sTurbulenceModelandExperimentalData衡,包括液膜热传导、对流和蒸发传热等机理。该模型所求解的方程为:湿空气能量平衡方程:qxJaa(5)液膜质量平衡方程:mxl(6)湿空气质量平衡方程:mxmxa(a)(7)湿空气动量平衡方程:2a,02a,02a,H2a,Hbuolosssspp(8)buo0Ha,Hapgdx(9)xsDpf()d21a2H0eqaloss2a,02a,01sK(10)该模型还需求解以下辅助方程:总的热流密度为:c

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