CN107092717B - 一种核电站安全壳环形空间设计压力限值的确定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于核电站安全设计技术领域，涉及一种核电站安全壳环形空间设计压力限值的确定方法。所述的方法依次包括安全壳外壁缝隙处压力值的确定步骤及安全壳环形空间与安全壳外壁压差的确定步骤，其中所述的安全壳外壁缝隙处压力值的确定步骤采用CFD计算模型。利用本发明的核电站安全壳环形空间设计压力限值的确定方法，可较传统经验公式估算更为精确地确定安全壳外壁狭缝处的压力值；并通过建立的放射性物质输运模型，可分析外层安全壳缝隙的流态特性。通过以上两种改进，能更为准确的获取安全壳环形空间与安全壳外壁的压差，从而使安全壳环形空间压力限值设计更安全、可靠。

Description

一种核电站安全壳环形空间设计压力限值的确定方法
技术领域
本发明属于核电站安全设计技术领域，涉及一种核电站安全壳环形空间设计压力限值的确定方法。
背景技术
目前国产第三代的核电安全技术采用了双层安全壳设计。安装、预埋在安全壳墙体内的贯穿件、隔离装置、人员闸门、设备闸门等，受材料、施工等因素影响，在安装结束后，会存在一定的缝隙。为防止安全壳内放射性物质从缝隙泄漏，需在两层安全壳的环形空间内设置通风系统，保证通过外层安全壳潜在缝隙渗透的气流方向是由外至内。因此，维持安全壳环形空间与室外环境合理的压差值是保证放射性物质不通过外层安全壳潜在缝隙渗透至室外环境的关键。
影响安全壳环形空间设计压力的因素有两个，一是安全壳外壁狭缝处压力，二是安全壳环形空间与外壁狭缝处之间的压差。安全壳外形较复杂，难以用经验公式准确确定安全壳外壁狭缝处的压力值。当安全壳环形空间压力大于等于外层安全壳外壁狭缝处的压力值时，内部放射性物质在扩散作用下，则会通过外层安全壳墙体上潜在缝隙泄漏至外部环境中。因此，为保证安全壳环形空间与安全壳外壁合理的正压差，必须合理设计确定安全壳环形空间内的压力限值。
发明内容
本发明的目的是针对核电站安全设计的要求，提供一种核电站安全壳环形空间设计压力限值的确定方法，以解决现有经验公式确定安全壳外壁狭缝处的压力值不准确，造成安全壳环形空间压力限值设计达不到非常安全、可靠的技术问题。
为实现此目的，在基础的实施方案中，本发明提供一种核电站安全壳环形空间设计压力限值的确定方法，所述的方法依次包括安全壳外壁缝隙处压力值的确定步骤及安全壳环形空间与安全壳外壁压差的确定步骤，其中所述的安全壳外壁缝隙处压力值的确定步骤采用CFD计算模型。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种核电站安全壳环形空间设计压差限值的确定方法，其中所述的安全壳外壁缝隙处压力值的确定步骤包括如下子步骤：
(1)利用CFD计算模型，进行网格划分，设置初始条件、模型参数，进行数值模拟；
(2)提取、处理计算结果，确定安全壳外壁面一定范围内的平均压力值；
(3)通过比对分析，确定安全壳外壁面缝隙处压力的最小值。。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种核电站安全壳环形空间设计压差限值的确定方法，其中所述的安全壳环形空间与安全壳外壁压差的确定步骤包括如下子步骤：
(1)建立模型，确定放射性物质浓度与扩散效应的关系，从而计算放射性物质浓度、放射性物质扩散通量、对流通量；
(2)建立模型，计算沿程阻力、总阻力，给出流速-压差关系；
(3)确定安全壳环形空间与安全壳外壁压差限制，并由此确定安全壳环形空间设计压力限值。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种核电站安全壳环形空间设计压差限值的确定方法，其中为确定放射性物质浓度与扩散效应的关系所建立的模型为放射性物质输运模型。
在一种优选的实施方案中，本发明提供一种核电站安全壳环形空间设计压差限值的确定方法，其中为计算沿程阻力、总阻力所建立的模型为水力计算模型。
本发明的有益效果在于，利用本发明的核电站安全壳环形空间设计压力限值的确定方法，可较传统经验公式估算更为精确地确定安全壳外壁狭缝处的压力值；并通过建立的放射性物质输运模型，可分析外层安全壳缝隙的流态特性。通过以上两种改进，能更为准确的获取安全壳环形空间与安全壳外壁的压差，从而使安全壳环形空间压力限值设计更安全、可靠。
附图说明
图1为示例性的本发明的核电站安全壳环形空间设计压力限值的确定方法的流程框图。
图2为放射性物质在外层安全壳缝隙中输运模型的简化原理示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作出进一步的说明。
示例性的本发明的核电站安全壳环形空间设计压力限值的确定方法的流程如图1所示(其中放射性物质输运模型的简化原理如图2所示)，包括如下步骤。
(1)安全壳环形空间设计压力限值计算公式为pin＝pout-Δp，其中，pin为安全壳环形空间设计压力的限值，pout为安全壳外壁缝隙处的压力平均值，Δp为安全壳外壁与环形空间的压差；
(2)安全壳外壁缝隙处压力平均值计算方法：
a.采用k-ε湍流模型模拟外层安全壳外部的流动和压力分布。
b.近壁区的流动，高y+值与低y+值区域的壁面函数通过混合函数g来关联：
Figure BDA0001246933050000031
其中，
Figure BDA0001246933050000032
为基于壁面距离的雷诺数，ν为运动粘度；
c.建立数学模型，划分网格，设置初始条件、模型参数，进行数值模拟。
d.提取安全壳外壁缝隙处压力值计算结果，将一定范围内的压力值做平均，确定安全壳外壁面缝隙处压力的最小值。
(3)安全壳外壁与环形空间压差的计算方法：
放射性物质输运模型包括以下物理过程及公式：
将安全壳外壁缝隙中的放射性物质输运过程作简化，原理如图2所示。在扩散机制的作用下，安全壳内的放射性物质会沿x轴方向，由安全壳内泄漏至大气环境中。
a.放射性物质在缝隙中输运的控制方程为
Figure BDA0001246933050000041
其中，C为浓度，x为缝隙纵向距离，t为时间，U为平均流速，α为扩散系数；
b.由扩散效应引起的放射性物质的浓度分布为
Figure BDA0001246933050000042
其中，erfc()为余补误差函数，定义为
Figure BDA0001246933050000043
c.环形空间通过缝隙扩散的放射性物质通量为
Figure BDA0001246933050000044
其中ΔS为缝隙面积；
d.Δt时间内，通过环形空间与缝隙交界面扩散的放射性物质的量为
Figure BDA0001246933050000045
Δt时间内，外部环境通过缝隙流向环形空间的空气流量为Q＝UΔtΔS；
e.定义缝隙内污染物浓度的稀释倍率χ，
Figure BDA0001246933050000046
令Δt＝L/U，则
Figure BDA0001246933050000047
水力计算模型包括下列过程及公式：
a.压差与局部阻力损失、沿程阻力损失的关系为
Figure BDA0001246933050000048
其中，Δp为压差，ρ为空气密度，U为缝隙平均流速，ξin为进口局部阻力系数，ξout为出口局部阻力系数，L为缝隙长度，D为水力直径，λ为摩擦阻力系数；
b.缝隙中流动的雷诺数为
Figure BDA0001246933050000051
由于O(U)＝100m/s，O(D)＝10-3m，O(ν)＝10-5m/s，因此缝隙中雷诺数的量级为O(Re)＝102，缝隙中的流动状态为层流，则摩擦阻力系数λ为
Figure BDA0001246933050000052
对于外层安全壳墙体内的缝隙流动，
Figure BDA0001246933050000053
O(ξin)＝100，O(ξout)＝100，即沿程阻力损失远大于进、出口局部阻力损失，则Δp可简化为
Figure BDA0001246933050000054
c.考虑到摩擦阻力系数的计算公式，压差Δp与流速U满足
Figure BDA0001246933050000055
最终可得
Figure BDA0001246933050000056
(4)安全壳环形空间设计压力限值的确定：
将步骤(2)、步骤(3)的计算结果代入步骤(1)中的公式，可计算出安全壳环形空间设计压力的限值。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。上述实施例或实施方式只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。

Claims (1)

1.一种核电站安全壳环形空间设计压力限值的确定方法，依次包括安全壳外壁缝隙处压力值的确定步骤及安全壳环形空间与安全壳外壁压差的确定步骤，其特征在于：所述的安全壳外壁缝隙处压力值的确定步骤采用CFD计算模型，
所述的安全壳外壁缝隙处压力值的确定步骤包括如下子步骤：
(1)利用CFD计算模型，进行网格划分，设置初始条件、模型参数，进行数值模拟；
(2)提取、处理计算结果，确定安全壳外壁面缝隙处的平均压力值；
(3)通过比对分析，确定安全壳外壁面缝隙处压力的最小值，
所述的安全壳环形空间与安全壳外壁压差的确定步骤包括如下子步骤：
1)建立模型，确定放射性物质浓度与扩散效应的关系，从而计算放射性物质浓度、放射性物质扩散通量、对流通量；
2)建立水力计算模型，计算沿程阻力、总阻力，给出流速-压差关系；
3)确定安全壳环形空间与安全壳外壁压差限值，并由此确定安全壳环形空间设计压力限值，
安全壳环形空间设计压力限值计算公式为pin＝pout-Δp，其中，pin为安全壳环形空间设计压力的限值，pout为安全壳外壁缝隙处的压力平均值，Δp为安全壳外壁与环形空间的压差，
安全壳外壁缝隙处压力平均值计算方法：
a.采用k-ε湍流模型模拟外层安全壳外部的流动和压力分布；
b.近壁区的流动，高y+值与低y+值区域的壁面函数通过混合函数g来关联：
Figure FDA0003803840150000011
其中，
Figure FDA0003803840150000012
为基于壁面距离的雷诺数，ν为运动粘度；
c.建立数学模型，划分网格，设置初始条件、模型参数，进行数值模拟；
d.提取安全壳外壁缝隙处压力值计算结果，将缝隙处的压力值做平均，确定安全壳外壁面缝隙处压力的最小值，
安全壳外壁与环形空间压差的计算方法：
a.放射性物质在缝隙中输运的控制方程为
Figure FDA0003803840150000021
其中，C为浓度，x为缝隙纵向距离，t为时间，U为平均流速，α为扩散系数；
b.由扩散效应引起的放射性物质的浓度分布为
Figure FDA0003803840150000022
其中，erfc()为余补误差函数，定义为
Figure FDA0003803840150000023
c.环形空间通过缝隙扩散的放射性物质通量为
Figure FDA0003803840150000024
其中ΔS为缝隙面积；
d.Δt时间内，通过环形空间与缝隙交界面扩散的放射性物质的量为
Figure FDA0003803840150000025
Δt时间内，外部环境通过缝隙流向环形空间的空气流量为Q＝UΔtΔS；
e.定义缝隙内污染物浓度的稀释倍率χ，
Figure FDA0003803840150000026
令Δt＝L/U，则
Figure FDA0003803840150000027
水力计算模型包括下列过程及公式：
a.压差与局部阻力损失、沿程阻力损失的关系为
Figure FDA0003803840150000028
其中，Δp为压差，ρ为空气密度，U为缝隙平均流速，ξin为进口局部阻力系数，ξout为出口局部阻力系数，L为缝隙长度，D为水力直径，λ为摩擦阻力系数；
b.缝隙中流动的雷诺数为
Figure FDA0003803840150000029
由于O(U)＝100m/s，O(D)＝10-3m，O(ν)＝10-5m/s，因此缝隙中雷诺数的量级为O(Re)＝102，缝隙中的流动状态为层流，则摩擦阻力系数λ为
Figure FDA00038038401500000210
对于外层安全壳墙体内的缝隙流动，
Figure FDA0003803840150000031
O(ξin)＝100，O(ξout)＝100，即沿程阻力损失远大于进、出口局部阻力损失，则Δp可简化为
Figure FDA0003803840150000032
c.考虑到摩擦阻力系数的计算公式，压差Δp与流速U满足
Figure FDA0003803840150000033
最终可得
Figure FDA0003803840150000034
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