CN108170924B - 一种用于核电厂蒸汽发生器传热管堵流工况模型建立方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能够对核电厂大型自然循环蒸汽发生器一次侧系统在一定传热管道堵塞事故工况下，对其快速建立三维精细热工水力计算模型的方法。模型建立过程为：1、进行蒸汽发生器完整一次侧水力学分析，分析管板处流量分配规律；2、根据上一步结果选择堵管方案；3、堵管份额及堵管位置的确定；4、真实蒸汽发生器中大量传热管进行几何简化及整体几何建模；5、进行初步计算节点划分；6、建立堵管方程追踪标记管束区域，采用网格标记方法对管束区域进行计算域网格的标记，实现堵管功能；7、采用初步建立的模型进行堵流工况计算，并分析结果的精度，若满足要求则建模完成，若不满足要求则至步骤5对计算节点进行加密处理，直至模型满足计算精度要求为止。

Description

一种用于核电厂蒸汽发生器传热管堵流工况模型建立方法

技术领域

本发明属于核电厂蒸汽发生器传热管技术领域，具体涉及一种用于核电厂蒸汽发生器传热管堵流工况的模型建立方法。

背景技术

U型管式自然循环蒸汽发生器(图1)是核电厂反应堆系统大型重要换热设备，在反应堆系统中起到一回路与二回路之间的能量交换导出反应堆堆芯能量的重要作用。其数量庞大的传热管是核电厂一回路最为薄弱的压力边界，管壁厚度仅为1毫米左右，呈现出高且长的特点。传热管两侧分布有高温、高压、高腐蚀性、高速振动流体，正常运行过程中一直受到热应力及机械应力外加材料腐蚀等作用，一般情况下，在长达50年的服役过程中管壁不断发生传热管降质，核电厂经常出现的传热管破裂事故，容易导致一回路泄压、堆芯失冷、放射性冷却剂向二回路释放，容易造成难以控制的瞬态工况，对反应堆安全系统产生较大影响。据统计，蒸汽发生器的事故发生率是反应堆一回路系统中最高的。

至1977年末世界上运行的79座压水核电站有34座发生了蒸汽发生器传热管泄漏事故，1982年美国48座运行核电站中40座发生了蒸汽发生器事故，一般核电站蒸汽发生器运行不到15年就被迫更换，运行最短的蒸汽发生器只有7年。据统计，目前各国运行的多数蒸汽发生器传热管已经发生了严重破损，世界上接近半数的蒸汽发生器是带着损伤传热管运行。堵管过程中除去维修费用仅是停堆维修的经济损失已经相当大，更换蒸汽发生器的代价更高，因此蒸汽发生器传热管破裂事故对核电系统造成的经济损失相当大。

而蒸汽发生器是一回路和二回路的中间枢纽，其运行性能对整个系统的热能转换效率至关重要，一般蒸汽发生器发生传热管破裂事故后首先考虑堵管方法，一般采用爆炸堵管、焊接堵管和机械堵管方法。堵管成功后，其相较于完整蒸汽发生器在输热方面性能有所下降，又因蒸汽发生器在整个核电站回路中能量转换中间枢纽的关键作用，需要对不同堵管工况下蒸汽发生器一次侧的流量及形阻变化及其对整个一回路堆芯换热系统及二回路冷却系统的影响进行分析。

目前已有的反应堆大型商业程序均能够对反应堆回路系统中产生的瞬态事故进行数值模拟分析，这些程序在传热管堵管事故分析过程中，一般均采用一回路流量随时间的变化来粗略模拟。而传热管堵管事故下，对SG整体三维局部影响或对系统回路影响数值模拟分析的关键在于不同堵管工况的精确建立。因此采用合理的数值模拟方法对蒸汽发生器进行建模，并根据蒸汽发生器正常工况下的流量分配情况对其不同堵管工况进行模型建立非常重要。

核电厂蒸汽发生器一般为成千上万根传热管，如AP1000蒸汽发生器中设计有10025根传热管，其一次侧具体结构如图1所示，一回路冷却剂由下腔式入口流入蒸汽发生器，冷却剂经由入口下腔式、U型管、出口下腔式流出蒸汽发生器，其在传热管束区域与二回路冷却剂进行能量交换。当传热管发生破裂事故时，一般采用特定方式在蒸汽发生器管板位置进行堵管操作，损坏的传热管经过堵管操作后不再具有原有换热功能，对于一回路而言，堵管区域可以看作流体完全封闭区域。

国内外研究

在蒸汽发生器传热管堵管工况的计算方面，国内外学者均有涉及到。孙启才分析了蒸汽发生器部分U型管被堵后继续运行对反应堆热工设计安全性的影响。堵管工况下各参数的模拟主要采用堵管下对一回路流体的动量方程进行求解得到，其对二次侧传热影响主要通过堵管对总传热面的减小幅度得到。宋京凯等人采用数值模拟方法，通过对一回路水阻力的理论计算，研究了立式自然循环蒸汽发生器U型管的堵管维修对蒸汽发生器一回路冷却剂流量及对核动力装置功率影响进行了详细计算。一回路管束区域的压降采用理论经验公式计算，通过泵特性曲线中扬程及流量的关系得出不同堵管量下的压降特性。同时根据理论计算方法，参考某艇蒸汽发生器的部分参数分析了5％-20％堵管份额下一回路的阻力、二回路的压强、蒸汽产量及装置功率的变化曲线。郭海红等人对堵管工况下立式自然循环蒸汽发生器的工作效率进行了仿真分析。得到了不同堵管量下的蒸汽发生器一回路冷却剂流量、二回路侧工作压强、蒸汽产量等参数变化的相应曲线。U型管束采用一根流动面积与换热面积等效的U型管表示。姚彦贵等人针对U型管立式蒸汽发生器，计算了堵管量达到10％状态下，蒸汽发生器一二回路的总换热系数、二次侧循环倍率及出口压力等热工参数变化。LW Keeton等人采用商业蒸汽发生器仿真程序ATHOS分析了直流蒸汽发生器在传热管堵管8％份额下对整体性能的影响，主要关注二回路的参数，结果表明较小堵管份额不会对整个OTSG热工水力参数产生较大影响。Patricia等人采用RELAP5 Mod3.3分析了U型管束发生堵流情况下通过模拟一回路向二回路传热面积的减少量以及一回路流量的减少量，分析了0％-12％传热管堵管对反应堆功率的影响。Gregg B等人采用RELAP5/MOD3,GOTHIC4.0,RETRAN-02,RETRAN-03,VIPRE-01等商业软件对堵管至20％工况下，蒸汽发生器的热工水力瞬态响应及蒸汽发生器是否需要替换预测进行了分析。

综上，目前国内外研究者们对蒸汽发生器在传热管堵管工况进行了大量研究，但据调研得到的堵管工况描述方法，管束堵管功能的实现基本上均采用简单的一维模型。已有的堵管问题研究方法一般通过减小一回路流量、传热管束处的传热面积等来分析堵管工况对系统运行工况的影响，并不关注堵管事故对蒸汽发生器内一回路流场的影响。而蒸汽发生器三维局部数值模拟需要获得三维工况下的堵管工况，从而来分析各种堵管工况下蒸汽发生器内的形阻变化、一二次侧热交换效率变化等参数。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种用于核电厂蒸汽发生器传热管堵流工况模型建立方法，既能够避免对大量管束进行精细几何建模及网格划分所带来的巨大工作量及大的计算机资源消耗，又能够保证采用本发明方法建立的堵管模型进行数值计算所得到的结果的精确性；本发明对堵管模型的成功建立，能够适用于各类计算流体力学分析程序对蒸汽发生器在各类不同堵管份额工况进行数值模拟，计算蒸汽发生器一次侧流体流动状态及设备局部阻力特性的变化情况；该堵管工况模型建立方法适用于任意堵管位置、任意堵管份额的堵管工况。

一种用于核电厂蒸汽发生器传热管堵流工况模型建立方法，步骤如下：

步骤1：分析蒸汽发生器完整一次侧结构水力学特性，根据管板处冷却剂流量分配规律，对堵流工况的网格标记方案进行确定：

采用已有流体动力学分析方法，对压水堆核电站完整蒸汽发生器一次侧进行三维流体动力学计算，根据计算结果显示的管板处流量分配规律对堵管方案进行确定：首先根据对典型压水堆核电站自然循环蒸汽发生器的水力学计算结果分析，计算结果显示U型管蒸汽发生器管板处的流量分配规律明显，具体表现在沿管板径向方向冷却剂进入管板管束处的平均流速变化大，靠近外侧的流速小而靠近内侧的流速大；因此，根据这一特点对传热管区域的堵管方案进行设计，使其能够充分考虑不同堵管位置对一定份额堵管下流场及压降变化的影响；

对于压水堆蒸汽发生器，当蒸汽发生器的入口管道位于管板外围位置处，其在管板处的流量分配遵循环形变化规律，即沿着管板径向的速度梯度大，而在同一径向的速度则分布较为均匀，根据这一特点，采用环形堵管网格标记方案；

当模拟对象与压水堆核电站U型管蒸汽发生器的结构不同但同时属于管束型换热设备的情况下具体操作方法是：首先对要研究的对象进行未堵流工况下的管侧三维流体动力学计算，从而得到管板处即管束流量分配位置的冷却剂流量分配结果；根据计算结果，若得到管板位置的流量分配是均匀的，则堵管位置的变化对于一定堵管份额下的堵管模型的计算结果影响小，这种情况下采用任意一种堵管网格标记方案，各方案的选择对计算结果没有差异性；若得到管板位置的流量分配分布呈现出沿着管板的圆周方向变化梯度大，而在管板径向方向的变化小的情况下，此时，则选择堵管面积呈现扇形的扇形网格标记方案，扇形网格标记方案是将管板处的堵管区域简化为沿管板中心分布的扇形，根据堵管的位置及堵管的份额对扇形所处的位置及扇形的面积进行改变，该方案充分考虑了此种流量分配情况下堵管位置对计算结果的影响；若管板处的流量分配规律与压水堆核电厂的蒸汽发生器管板处的流量分配规律相同，则同样采用环形网格标记方案；若管板位置的流量分配无规律，十分不均匀，采用矩形网格标记方案，即管板处的网格堵管区域呈现矩形，矩形网格标记方案将堵管位置对模型的影响减小到最低；

本步骤为本发明最为关键的一步，必须根据实际情况来考虑。

步骤2：堵管位置及堵管份额的确定：

根据实际工程需求，堵管份额能够准确得到，但实际堵塞的传热管则一般不规则性地分布在管板不同位置，此时必须对堵管的分布方式进行简化及归一化；具体如下：

首先将已经堵住的各管道坐标进行相加，对各分散的堵管位置进行坐标加权平均计算，寻找各堵塞管道坐标范围内的中心位置坐标，以此作为简化后的集总堵管区域的中心坐标；

通过探测获得的各堵塞管道在管板平面的相对坐标来定义最终简化的堵管坐标，具体方法如下：

其中X、Y表示经过简化后归一化堵管坐标位置，x,y分别表示在第n个堵塞管道处的坐标位置；

得到归一化堵管坐标之后，再结合堵管网格标记方案中规定的堵管区域形状以及堵管份额确定的堵管区域面积，得到归一化的堵管坐标及堵管面积；

步骤3：管束区域几何结构的简化及整体几何模型建立：

首先对自然循环蒸汽发生器中数目众多的倒U型传热管管束区域进行简化，以包络管束最内外边界为归一化的冷却剂流域边界，以此对复杂几何结构进行简化建模，具体方法为：对结构复杂的管束区域仅根据包络最外层的边界进行整体几何建模，该区域几何模型建立过程中不考虑管束区域中的孔隙结构，将U型管束与管束之间的孔隙间隔打混，对其采用已有建模程序进行整体几何建模，最终得到的管束流域为一个U型柱状整体，几何模型上并不能显示出管束结构特点，模型在这方面的简化将通过定义每个坐标位置的阻力系数及孔隙率来解决；

蒸汽发生器的下封头区域以及进出口冷却剂管道的几何结构简单，几何建模过程不需要对其结构进行简化，因此，除了管束区域之外的区域采用通用数值模拟方法进行常规三维几何建模；

汇总管束区域的几何模型及下封头和进出口冷却剂管道的几何模型，即获得压水堆核电站蒸汽发生器整体的几何模型；

步骤4：流域计算网格划分：

计算网格划分过程主要分为两个部分，其一是对下封头部分的几何进行计算网格划分，该部分不限制其网格划分的方式，采用六面体结构化网格划分或者非结构网格方法来对其进行网格划分；其二为管束区域几何的计算网格划分，由于网格标记操作需要网格的边界规整，而六面体正方形网格则能够满足此要求，因此在整个管束区域，通过对其进行六面体结构化网格划分，网格密度按照计算精度要求及堵管份额精度要求而定，使其既不影响网格标记精度又不影响由面积计算的堵管份额精度；而具体的网格密度则将通过热工水力计算结果精度判定，并不断更新网格数量直到计算精度达到要求为止；

步骤5、网格标记方程建立及网格标记：

网格标记方程建立的目的是将发生堵塞的传热管流域包络汇总到一个流体不流通区域内，以此模拟堵流工况；网格标记方程的类型视具体堵管位置及网格标记方案而定，最终目的是能够将堵管区域从整个管束区域中标记出来；

环形网格标记方程建立过程：

首先假设管束轴向正方向为Z方向，管板截面为XOY截面，则在垂直管束段的网格标记方程建立为：

(x-r)²+(y-r)²＜(R-r)²

其中r为内环半径，R为外环半径；

弯管处的几何简化为球面几何，则相应的网格标记方程建立为：

(x-r)²+(y-r)²+(z-r)²＜(R-r)²

其中r为内环半径，R为外环半径；

以上是环形网格标记方程建立过程，同理参照以上步骤进行其他类型网格标记方程的建立，当网格标记方程建立完成之后，通过网格标记方程对流域进行区域划分，即对堵管区域及未堵管区域介质性质的区分；

流域区域划分方式具体是：当网格标记方程建立好之后通过将其标记出来的网格区域定义为流体不流通区域即固体介质，未标记的区域则继续使用原来的流体域介质，此外，下封头部分也定义为流体流通区域；通过以上步骤，实现一定堵管位置及一定堵管份额工况下的堵流工况模型的建立；

步骤6、管束区域孔隙率及阻力系数的定义：

为了验证堵管模型的精确性，采用计算流体动力学方法对其进行三维流体动力学数值计算；而为了弥补管束流域的简化引起的模型不准确，首先需要定义管束区域的孔隙率以及各个方向上的流动阻力系数；

孔隙率的定义为实际管束结构中流体流通体积与总的固液打混区域体积的比值，通过几何计算得到；各方向的流动阻力系数采用已有的经验关系式和已有实验数据分析获得；

步骤7、流体动力学计算：

将初步建立好的蒸汽发生器堵流工况模型，采用计算流体动力学方法进行三维热工水力学数值计算，并将计算结果与实验结果进行对比，分析其正确性及精度，当其结果正确且精度满足要求时，则堵管模型建立成功，当精度不满足要求则返回步骤4，通过对网格节点进行增加操作，来实现网格加密的目的，然后继续接下的步骤，以此重复，直到达到计算精度满足要求为止。

至此，蒸汽发生器管束堵流模型建立过程完成。

此外，需要声明：本发明提出的蒸汽发生器的传热管堵流模型建立方法，适用于压水堆核电厂自然循环蒸汽发生器传热管堵流事故工况的模拟。但本发明中提出的堵流事故三维模型建立的思想同样适用于同类型的管束型换热器设备。本发明可以针对实际工况中的不同堵流份额及不同堵管位置下的堵流工况。本发明主要针对堵流工况下，三维蒸汽发生器的热工水力计算工作提供模型建立及前处理工作。通过原型几何的简化以及网格标记方法能够获得不同堵流工况，由于网格标记方法具有灵活性，因此该方法同样适用于管束类型的传热管蒸汽发生器堵流模型的建立。该方法获得的堵流工况经过计算流体动力学三维热工水力学计算，能够获得堵流操作对蒸汽发生器内各类参数的变化及传热性能的改变。

本发明中提出的蒸汽发生器三维堵流模型建立方法克服了已有方法对反应堆系统蒸汽发生器传热管堵流事故工况模拟的简化性及非精确性。目前已有的堵流工况模型主要通过对堵流工况进行一维近似简化处理获得，这些模型粗糙且简化，计算结果不精确，不能获得三维局部参数的变化。本发明通过对蒸汽发生器管侧进行全三维几何简化、管侧整体几何建模、计算节点划分及堵管网格标记的操作，能够对核电站蒸汽发生器以及核动力系统内各类管束型蒸汽发生器管侧流道堵塞工况进行三维堵管热工水力计算模型的建立，完全克服已有的方法技术所引起的计算结果不精确的缺点。本发明介绍的三维蒸汽发生器传热管堵流热工水力计算模型的建立方法具有原理简单、操作方便、计算结果精确度高、易于调控等优点。

和现有技术相比较，本发明具有以下优点：

1.克服了现有的堵管工况处理方法的缺陷，提出了一种三维堵流模型，模型考虑了三维堵流工况的特性，包括堵流的相对位置及堵流的份额对模型带来的影响；

2.能够简化对蒸汽发生器众多传热管进行一一建模带来的巨大工作量；

3.能够容易实现不同堵流位置和不同堵流份额工况的变化，工作量小；

4.对传热管区域采用标准六面体网格，可以减小网格标记的不同区域交界面处网格不连续带来的误差；

5.通过对整体网格数量进行调整，可以消除堵流份额较小工况下，均匀网格较大带来的误差；

6.模型独立，方法通用性强，可以适应于不同类型的流体力学计算分析程序；

7.模型建立周期短、计算资源消耗少且计算结果精度高，用于各类堵流事故工况下三维热工水力计算。

本发明已通过实践证明，该方法能够成功模拟不同堵流份额及不同堵流位置的堵管工况，本发明中提出的堵管热工水力计算模型在进行蒸汽发生器堵流工况下热工水力学计算时，不但可以避免传统三维模型建立方法带来的超大计算工作量以及对计算资源需求，同时可以保证采用该模型获得数值结果的精确性，完全能够克服已有对堵流工况处理方法的缺陷。

附图说明

图1为核电站自然循环蒸汽发生器模型示意图，其中图1a为蒸汽发生器一次侧主视图，图1b为蒸汽发生器一次侧的俯视图。

图2为本发明中三维堵管模型建立过程技术路线流程图。

图3为扇形及矩形网格标记方案示意图，其中图3a为扇形网格标记方案示意图，图3b为矩形网格标记方案示意图。

图4为堵管份额为n％的工况模型建立流程图。

图5为经过管束区域的几何简化后的模型主视图。

图6为15％堵管份额工况模型建立流程图。

图7为10％堵管份额区域网格标记结果示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明做进一步详细描述：

如图2所示，本发明一种用于核电厂蒸汽发生器传热管堵流工况模型建立方法，步骤如下：

步骤1：分析蒸汽发生器完整一次侧结构水力学特性，根据管板处冷却剂流量分配规律，对堵管工况的网格标记方案进行确定：

蒸汽发生器传热管的堵管位置设在下封头至管束区域之间的管板处，由于堵管操作会直接影响一回路冷却剂的流动状态及一次侧局部阻力大小，因此需要考虑不同堵管位置及不同堵管份额对一回路的三维流场及流阻变化的影响。该问题增加了三维堵管模型建立的难度，现有技术并没有考虑到堵管位置对局部流阻的变化。本发明可以克服以上困难，可以充分考虑堵管位置对计算结果的影响。

由于蒸汽发生器结构较为复杂，对计算资源要求较高，不容易实现实体建模，但通过对蒸汽发生器一次侧几何结构的分析及正常情况下蒸汽发生器一次侧流场分布的确定，通过分析管板的冷却剂流量分配规律，来简化堵管模型的建立过程。

首先对要研究的对象进行未堵管工况下的管侧三维流体动力学计算，从而得到管板处(管束流量分配位置)的冷却剂流量分配结果。根据计算结果，若得到管板位置的流量分配是均匀的，则堵管位置的变化对于一定堵管份额下的堵管模型的计算结果影响小，这种情况下可以采用本发明中提出的任意一种堵管网格标记方案，各方案的选择对计算结果没有差异性，本发明中给出了三种堵管网格标记方案均适用于流量分配均匀的工况；若得到管板位置的流量分配分布呈现出沿着管板的圆周方向梯度大，而在管板径向方向的变化小的情况下，此时，则选择堵管面积呈现扇形的扇形网格标记方案，扇形网格标记方案是将管板处的堵管区域简化为沿管板中心分布的扇形，根据堵管的位置及堵管的份额可以对扇形所处的位置及扇形的面积进行改变，具体网格标记结果参见网格标记方案示意图，该方案充分考虑了此种流量分配情况下堵管位置对计算结果的影响；若管板处的流量分配规律与压水堆核电厂的蒸汽发生器管板处的流量分配规律相同，则同样采用环形网格标记方案；若管板位置的流量分配无规律，十分不均匀，则不能通过环形及扇形网格标记方案来考虑堵管位置对模型的影响，针对这种情况，本发明特别提出了矩形网格标记方案，即管板处的网格堵管区域呈现矩形，矩形网格标记方案可以将堵管位置对模型的影响减小到最低。

图3及图7给出了环形网格标记方案、扇形网格标记方案以及矩形网格标记方案示意图，图中展示的是管板截面，阴影部分代表具有管束的区域。若选择环形网格标记方案，则图中展示的环形的一部分即代表了一定的堵管位置及堵管份额，若选择扇形网格标记方案，则图中展示的其中一个扇形域即可以代表一定的堵管位置及堵管份额，若选择矩形网格标记方案，则图中展示的一个矩形域可以代表一定的堵管位置及堵管份额。图7中不同标号代表不同位置的堵管区域，需要计算时将对应位置的堵管区域设置为流体不流通区域即可。

第2步：堵管位置及堵管份额的确定：

为了防止实际工程中堵塞管道的分散性对模型建立带来的不便，此处需要对所有堵塞管道进行简化合并，对其堵管位置进行加权平均计算，寻找各堵塞管道坐标范围内的一个中心位置坐标，以此作为简化后的集总堵管区域的中心坐标。因此，堵管区域的面积及堵管位置就可以得到。

首先，堵管份额可以通过将各堵塞的传热管的横截面面积相加并与管板处总面积相比获得。

下面将介绍对堵管位置进行简化的操作步骤。

首先将已经堵塞的各管道坐标进行相加，对各分散的堵管位置进行坐标加权平均计算，寻找各堵塞管道坐标范围内的中心位置坐标，以此作为简化后的集总堵管区域的中心坐标。

这里通过探测获得的各堵塞管道在管板平面的相对坐标来定义最终简化的堵管坐标，具体操作方式如下：

其中X Y表示经过简化后归一化堵管坐标位置，x,y分别表示在第n个堵塞管道处的坐标位置。

得到归一化堵管坐标之后，再结合堵管网格标记方案中规定的堵管区域形状以及堵管份额确定的堵管区域面积，可以得到归一化的堵管做标及堵管面积。

通过以上步骤，堵管区域的面积及堵管位置就可以得到。

本步骤的优点在于完全能够考虑任意分布方式的堵管工况，根据实际情况以及各堵管工况的特点，对堵管区域进行简化，准确性好，可靠性高。

步骤3：管束区域几何结构的简化及整体几何模型建立：

首先对自然循环蒸汽发生器中数目众多的倒U型传热管管束区域进行简化，以包络管束最内外边界为归一化的冷却剂流域边界，以此对复杂几何结构进行简化建模(图4)，图4直观地给出了模型简化过程、计算域网格划分过程以及最终的网格标记过程，图中给出了整个发明建模过程的示意图，其中最后一步的黑色区域即为堵管份额为n％的区域。具体操作步骤可以简化为：对结构复杂的管束区域仅根据包络最外层的边界进行整体几何建模，该区域几何模型建立过程中不考虑管束区域中的孔隙结构，将U型管束与管束之间的孔隙间隔打混，对其结构进行整体几何建模，最终得到的管束流域为一个U型柱状整体，几何模型上并不能显示出管束结构特点，模型在这方面的简化将通过定义每个坐标位置的阻力系数及孔隙率来解决。

蒸汽发生器的下封头区域以及进出口冷却剂管道的几何结构简单，几何建模过程不需要对其结构进行简化，因此，除了管束区域之外的该区域进行常规三维几何建模即可。

综合管束区域的几何模型及下封头和进出口冷却剂管道的几何模型，可获得压水堆核电站蒸汽发生器整体的几何模型。

步骤4：流域计算网格划分：

网格划分过程主要分为两个部分，其一就是对下封头部分的几何进行网格划分，由于网格标记操作并不涵盖此部分的几何，因此该部分不限制其网格划分的方式，可以采用六面体结构化网格划分或者非结构网格方法来对其进行网格划分。

由于网格标记操作需要网格的边界规整，而六面体正方形网格则可以满足这个要求，因此在整个管束区域，通过对其进行六面体结构化网格划分，网格要尽量密，使其既不影响网格标记精度又不影响由面积计算的堵管份额精度，以便为下步堵管区域标记打好基础。而具体的网格密度则将通过热工水力计算结果精度判定，并不断更新网格数量直到计算精度可以达到要求为止。

该步骤在步骤流程图1中为第三步。

步骤5、网格标记方程建立及网格标记：

图5给出了核电厂蒸汽发生器一次侧简化后的模型，图中阴影部分即为将管束简化为均匀介质的整体流体区域。图中不同数字位置代表了整个蒸汽发生器的主要压降产生区域(重位压降相互抵消)。此步骤中网格标记方程作用的流域即为简化后的U行管区域。堵管功能的实现是通过改变标记区域的介质属性来实现，通过灵活改变堵管区域为固体介质即可真实模拟其堵管工况。

发明内容步骤5中已经给出了环形标记方程的建立方法以及网格标记方法，此处不再赘述。

下面再给出不同位置10％堵管工况模型建立过程中的网格标记方案，这里依然采用环形堵管方式，堵管网格标记方案如示意图7，图7为在管板位置的横截面图，阴影区域代表传热管束分布区域，进出口下封头分别位于两侧，可见图示中管束区域被分为10个等面积子区域，分别代表位于不同位置下堵管份额为10％的堵管区域。

最后，结合几何建模、网格划分、堵管功能实现的步骤给出完整的建模流程如图6所示。图中给出的堵管份额为15％，堵管位置为管束中央，网格堵管方案为环形堵管方案。流程图中给出了几何简化过程以、计算节点划分过程以及最后的堵管区域标记过程。

本发明中网格标记方法是堵管工况实现的关键步骤，也是本发明最重要的一步，本发明方法操作简单，建立的模型网格少，计算量小，克服了已有技术在蒸汽发生器传热管堵管工况模拟方面的缺点。

步骤6、管束区域孔隙率及阻力系数的定义：

孔隙率的定义为实际管束结构中流体流通体积与总的固液混合区域体积的比值，可以通过几何计算得到。各方向的流动阻力系数可以采用已有的经验关系式和已有实验数据获得。该步骤的功能是将原本仅存在于真实管束结构内的沿程流动阻力与局部流动阻力，均匀性地分布在整个已经打混的管束区域。

根据调研得到阻力系数，为了保证在堵管模型的管束打混几何内的流场仍然能够体现出管束内U型流动的特性，保证一次侧的流场不失真，本发明中需要定义一个沿着U型管轴向的主流方向，通过定义该方向相对于其他两个径向方向的阻力系数相差两个以上数量级，来可以保证其在管束区域内的流场不失真。

步骤7、流体动力学计算：

采用计算流体力学方法，代入本发明建立好的三维堵管热工流体计算模型，设置阻力系数及流动方向进行相应堵管工况的计算，将计算结果与实验获得的结果进行对比，若精度误差在可接受范围内，则模型建立完成，若精度不符合要求，则返回步骤4加密网格，重复之后的操作，直到采用该专利提出的三维堵管模型获得的结果精度达到要求为止。

本发明设计的方法主要包含堵管份额的确定、几何模型的建立，堵管位置的选择，模型网格的划分、传热管束区域的网格标记、堵管工况的建立等。根据堵管图7中的标号，可以任意定义堵管的位置及堵管份额，示意图7上展示了10％堵管份额结果，标记的数字代表了不同的堵管位置，从图中的网格标记方法可以获得不同堵管位置下的10％堵管工况。图中展示的为经典环状标记方法，但本方法也介绍了其他两种网格标记方案，分别为扇形标记和矩形标记方案，相同工况的堵管方案见图3所示。除了示意图7中所介绍的10％堵管工况的标记，本方法适用于任意位置0％-100％堵管份额工况，而具体工况的建立流程相同，可以根据实际工况的需要以及通过增加网格的密集程度建立最为精确的堵管方案。

针对大量的堵管工况计算及验证结果表明，本发明具有可靠的计算精度以及模型建立的经济性。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，但不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (1)

1.一种用于核电厂蒸汽发生器传热管堵流工况模型建立方法，其特征在于：步骤如下：

步骤1：分析压水堆核电厂蒸汽发生器一次侧结构水力学特性，根据管板处冷却剂流量分配规律，对堵流工况的网格标记方案进行确定：

对压水堆核电厂蒸汽发生器一次侧进行三维流体动力学计算，根据计算结果显示的管板处流量分配规律对堵管方案进行确定：首先根据对压水堆核电厂蒸汽发生器的水力学计算结果分析，计算结果显示压水堆核电厂蒸汽发生器管板处的流量分配规律明显，具体表现在沿管板径向方向冷却剂进入管板管束处的平均流速变化大，靠近外侧的流速小而靠近内侧的流速大；因此，根据这一特点对传热管区域的堵管方案进行设计，使其能够充分考虑不同堵管位置对一定份额堵管下流场及压降变化的影响；

当压水堆核电厂蒸汽发生器的入口管道位于管板外围位置处，其在管板处的流量分配遵循环形变化规律，即沿着管板径向的速度梯度大，而在同一径向的速度则分布较为均匀，根据这一特点，采用环形堵管网格标记方案；

当模拟对象与压水堆核电厂蒸汽发生器的结构不同但同时属于管束型换热设备的情况下具体操作方法是：首先对要研究的对象进行未堵流工况下的管侧三维流体动力学计算，从而得到管板处即管束流量分配位置的冷却剂流量分配结果；根据计算结果，若得到管板位置的流量分配是均匀的，则堵管位置的变化对于一定堵管份额下的堵管模型的计算结果影响小，这种情况下采用任意一种堵管网格标记方案，各方案的选择对计算结果没有差异性；若得到管板位置的流量分配分布呈现出沿着管板的圆周方向变化梯度大，而在管板径向方向的变化小的情况下，此时，则选择堵管面积呈现扇形的扇形网格标记方案，扇形网格标记方案是将管板处的堵管区域简化为沿管板中心分布的扇形，根据堵管的位置及堵管的份额对扇形所处的位置及扇形的面积进行改变，扇形网格标记方案充分考虑了此种流量分配情况下堵管位置对计算结果的影响；若管板处的流量分配规律与压水堆核电厂蒸汽发生器管板处的流量分配规律相同，则同样采用环形网格标记方案；若管板位置的流量分配无规律，十分不均匀，采用矩形网格标记方案，即管板处的网格堵管区域呈现矩形，矩形网格标记方案将堵管位置对模型的影响减小到最低；

步骤2：堵管位置及堵管份额的确定：

根据实际工程需求，堵管份额能够准确得到，但实际堵塞的传热管则一般不规则性地分布在管板不同位置，此时必须对堵管的分布方式进行简化及归一化；具体如下：

首先将已经堵住的各管道坐标进行相加，对各分散的堵管位置进行坐标加权平均计算，寻找各堵塞管道坐标范围内的中心位置坐标，以此作为简化后的集总堵管区域的中心坐标；

通过探测获得的各堵塞管道在管板平面的相对坐标来定义最终简化的堵管坐标，具体方法如下：

其中X、Y表示经过简化后归一化堵管坐标位置，x,y分别表示在第n个堵塞管道处的坐标位置；

得到归一化堵管坐标之后，再结合堵管网格标记方案中规定的堵管区域形状以及堵管份额确定的堵管区域面积，得到归一化的堵管坐标及堵管面积；

步骤3：管束区域几何结构的简化及整体几何模型建立：

首先对压水堆核电厂蒸汽发生器中数目众多的倒U型传热管束区域进行简化，以包络管束最内外边界为归一化的冷却剂流域边界，以此对复杂几何结构进行简化建模，具体方法为：对结构复杂的管束区域仅根据包络最外层的边界进行整体几何建模，该区域几何模型建立过程中不考虑管束区域中的孔隙结构，将U型管束与管束之间的孔隙间隔打混，对压水堆核电厂蒸汽发生器一次侧结构进行整体几何建模，最终得到的管束流域为一个U型柱状整体，几何模型上并不能显示出管束结构特点，模型在这方面的简化将通过定义每个坐标位置的阻力系数及孔隙率来解决；

压水堆核电厂蒸汽发生器的下封头区域以及进出口冷却剂管道的几何结构简单，几何建模过程不需要对其结构进行简化，因此，除了管束区域之外的区域采用通用数值模拟方法进行常规三维几何建模；

汇总管束区域的几何模型及下封头和进出口冷却剂管道的几何模型，即获得压水堆核电厂蒸汽发生器整体的几何模型；

步骤4：流域计算网格划分：

计算网格划分过程主要分为两个部分，其一是对下封头部分的几何进行计算网格划分，该部分不限制其网格划分的方式，采用六面体结构化网格划分或者非结构网格方法来对其进行网格划分，其二是对管束区域的计算网格划分由于网格标记操作需要网格的边界规整，而六面体正方形网格则能够满足此要求，因此在整个管束区域，通过对其进行六面体结构化网格划分，网格密度按照计算精度要求及堵管份额精度要求而定，使其既不影响网格标记精度又不影响由面积计算的堵管份额精度；而具体的网格密度则将通过热工水力计算结果精度判定，并不断更新网格数量直到计算精度达到要求为止；

步骤5、网格标记方程建立及网格标记：

网格标记方程建立的目的是将发生堵塞的传热管流域包络汇总到一个流体不流通区域内，以此模拟堵流工况；网格标记方程的类型视具体堵管位置及网格标记方案而定，最终目的是能够将堵管区域从整个管束区域中标记出来；

环形网格标记方程建立过程：

首先假设管束轴向正方向为Z方向，管板截面为XOY截面，则在垂直管束段的网格标记方程建立为：

(x-r)²+(y-r)²＜(R-r)²

其中r为内环半径，R为外环半径；

弯管处的几何简化为球面几何，则相应的网格标记方程建立为：

(x-r)²+(y-r)²+(z-r)²＜(R-r)²

其中r为内环半径，R为外环半径；

以上是环形网格标记方程建立过程，同理参照以上步骤进行其他类型网格标记方程的建立，当网格标记方程建立完成之后，通过网格标记方程对流域进行区域划分，即对堵管区域及未堵管区域介质性质的区分；

流域区域划分方式具体是：当网格标记方程建立好之后通过将其标记出来的网格区域定义为流体不流通区域即固体介质，未标记的区域则继续使用原来的流体域介质，此外，下封头部分也定义为流体流通区域；综上，通过步骤：分析压水堆核电厂蒸汽发生器一次侧结构水力学特性，根据管板处冷却剂流量分配规律，对堵流工况的网格标记方案进行确定；确定堵管位置及堵管份额；管束区域几何结构的简化及整体几何模型建立；流域计算网格划分；网格标记方程建立及网格标记，最终实现一定堵管位置及一定堵管份额工况下的堵流工况模型的建立；

步骤6、管束区域孔隙率及阻力系数的定义：

为了验证堵管模型的精确性，采用计算流体动力学方法对其进行三维流体动力学数值计算；而为了弥补管束流域的简化引起的模型不准确，首先需要定义管束区域的孔隙率以及各个方向上的流动阻力系数；

孔隙率的定义为实际管束结构中流体流通体积与总的固液打混区域体积的比值，通过几何计算得到；各方向的流动阻力系数采用已有的经验关系式和已有实验数据分析获得；

步骤7、流体动力学计算：

将初步建立好的压水堆核电厂蒸汽发生器堵流工况模型，采用计算流体动力学方法进行三维热工水力学数值计算，并将计算结果与实验结果进行对比，分析其正确性及精度，当其结果正确且精度满足要求时，则堵管模型建立成功，当精度不满足要求则返回步骤4，通过对网格节点进行增加操作，来实现网格加密的目的，然后继续接下的步骤，以此重复，直到达到计算精度满足要求为止。

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