CN113609795B - 一种高温气冷堆螺旋管蒸汽发生器热工水力特性三维计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温气冷堆螺旋管蒸汽发生器热工水力特性三维计算方法，包括以下步骤：建立高温气冷堆蒸汽发生器计算域简化几何模型；对蒸汽发生器计算域几何模型进行网格划分；将划分的网格导入计算流体动力学软件，并进行边界条件及多孔介质参数设置；调研高温气体物性关系式，并编写为UDF导入计算流体动力学软件；对壳侧高温气体、管侧蒸发两相流及管壁固体域进行耦合流动传热计算。该方法能够运用计算流体动力学手段对高温气冷堆螺旋管蒸汽发生器管内的蒸汽蒸发以及螺旋管束外的高温气体流动进行耦合计算。

Description

一种高温气冷堆螺旋管蒸汽发生器热工水力特性三维计算 方法

技术领域

本发明属于核反应堆热工水力计算技术领域，具体涉及到一种高温气冷堆螺旋管蒸汽发生器热工水力特性三维计算方法。

背景技术

蒸汽发生器是核反应堆动力系统中至关重要的组成部分，是反应堆一二回路热量传递的枢纽。螺旋管蒸汽发生器是一种结构紧凑、换热效率高的蒸汽发生器，其主要由：螺旋管束、内筒、壳体外壁面组成。螺旋管束绕套筒按照不同的径向位置分层布置，每层内均匀布置多根螺旋管。螺旋管蒸汽发生器因其独特结构，较常规换热器增加了两侧流体的换热面积与湍流强度，换热能力得到增强，得益于其独特优势，螺旋管蒸汽发生器被广泛应用于高温气冷堆、船用压水堆等。

高温气冷堆螺旋管蒸汽发生器结构特殊，管内流体除了受到重力、摩擦力的影响，还受到离心力的影响；管外流体为外掠管束流动，受到管束的搅浑作用，管外流体的湍流程度大大提升，强化了两侧流体的换热，提高了蒸汽发生器的换热效率。为了高温气冷堆结构设计与进一步优化、运行控制以及安全性能分析，有必要对高温气冷堆螺旋管蒸汽发生器换热性能进行分析。在分析方法上，有实验模拟与计算流体动力学计算两种方法，实验模拟成本较高，使用计算流体动力学手段进行计算是有效且方便的。已有的方法多关注单侧流体流动换热，无法真实模拟螺旋管蒸汽发生器内部流动过程，或是开发系统程序进行模拟，但是缺乏对细节现象的描述能力。使用计算流体动力学手段对高温气冷堆螺旋管蒸汽发生器两侧流体耦合换热进行研究，可以对全流域进行精细模拟，同时当前还没有针对高温气冷堆螺旋管蒸汽发生器换热特性进行三维耦合的研究，因此该方法将对高温气冷堆螺旋管蒸汽发生器的进一步发展具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高温气冷堆螺旋管蒸汽发生器热工水力特性三维计算方法，该方法能够运用计算流体动力学手段对高温气冷堆螺旋管蒸汽发生器管内的蒸汽蒸发以及螺旋管束外的高温气体流动进行耦合计算。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明方法采用多孔介质方法以及计算流体动力学软件中的组分输运模型以及质量扩散理论来模拟高温气冷堆螺旋管蒸汽发生器的蒸汽蒸发现象；通过编写UDF导入该软件的方法模拟螺旋管蒸汽发生器外部的高温气体流动；同时根据傅里叶导热定律计算螺旋管管壁的温度分布。

一种高温气冷堆螺旋管蒸汽发生器热工水力特性三维计算方法，包括如下步骤：

步骤1：建立高温气冷堆螺旋管蒸汽发生器计算域简化模型，包括螺旋管蒸汽发生器外部封壳模型和螺旋管蒸汽发生器中心支撑柱模型，具体步骤如下：

步骤1-1：运用几何模型建立软件建立高温气冷堆螺旋管蒸汽发生器外部封壳模型，模型为圆柱体结构；

步骤1-2：运用几何模型建立软件建立高温气冷堆螺旋管蒸汽发生器内部支撑柱模型，模型为与步骤1-1建立的高温气冷堆螺旋管蒸汽发生器外部封壳模型同心等高的圆柱体；

步骤1-3：将步骤1-1与步骤1-2建立的模型进行装配，得到高温气冷堆螺旋管蒸汽发生器简化环形通道模型；

步骤2：在步骤1得到的高温气冷堆螺旋管蒸汽发生器简化环形通道模型的基础上进行网格划分，具体过程如下：将蒸汽发生器管束区简化为多孔介质模型，针对管束区一次侧和二次侧流体域划分网格，对蒸汽发生器其他部位进行四面体结构化网格划分；

步骤3：在高温气冷堆螺旋管蒸汽发生器管侧计算域网格模型范围内进行流动换热计算，具体步骤如下：

步骤3-1：将高温气冷堆螺旋管蒸汽发生器管侧计算域下部表面设置为流体域入口，并根据真实条件设置入口处混合物中气相体积份额、混合物速度、混合物密度、混合物温度和压力；

步骤3-2：将高温气冷堆螺旋管蒸汽发生器管侧计算域上部表面设置成流体域出口，并设置出口处的压力和温度；

步骤3-3：求解二次侧阻力源项，耦合求解二次侧质量、动量守恒方程，获得高温气冷堆螺旋管蒸汽发生器二次侧流体速度场分布；其中二次侧质量守恒方程为:

二次侧动量守恒方程为：

其中：

t——时间，s

β——孔隙率

ρ_m——混合物密度，kg/m³

——混合物速度，m/s

μ_m,eff——混合物有效粘度，Pa·s

——重力加速度，m·s^-2

α_g——汽相体积份额

ρ_g——汽相密度，kg/m³

α_l——液相体积份额

ρ_l——液相密度，kg/m³

——汽相相对于混合物质量加权平均速度的相对速度，m/s

S_E——能量源项，W·m^-3

通过组分输运方程，得到高温气冷堆螺旋管蒸汽发生器管侧流体组分浓度场分布，其中组分输运方程为：

其中：

t——时间，s

ρ_m——混合物密度，kg/m³

——混合物速度，m/s

Y_i——混合物中的第i相组分浓度即蒸汽和水的质量份额，％

D_i,m——混合物中第i相的层流扩散系数，m²·s^-1

D_i,t——混合物中第i相的湍流扩散系数，m²·s^-1

步骤3-4：求解二次侧能量守恒方程，获得高温气冷堆螺旋管蒸汽发生器二次侧流体温度场分布，其中二次侧能量守恒方程为:

其中：

t——时间，s

β——孔隙率

α_g——汽相体积份额

ρ_g——汽相密度，kg/m³

H_g——汽相焓，J·kg^-1

α_l——液相体积份额

ρ_l——液相密度，kg/m³

H_l——液相焓，J·kg^-1

——汽相速度，m/s

P——压力，Pa

——液相速度，m/s

k_m——混合物导热系数，W·m^-1·K^-1

S_g——汽相质量源项，kg·m^-3·s^-1

步骤3-5：在求得的二次侧流体速度场、温度场与组分浓度场的基础上，通过得到的蒸汽质量份额W_s能够计算出螺旋管蒸汽发生器管侧流体域与螺旋管束管壁固体域交界面处的蒸汽蒸发率为：

其中：

——蒸汽蒸发率，kg/s

ρ_m——混合物密度，kg/m³

D_m——层流扩散系数，m²·s^-1

W_s——蒸汽质量份额，％

n——面法向量

步骤3-6：由步骤3-5中得到的蒸汽蒸发率计算蒸汽蒸发吸收螺旋管管壁结构的固体域热量，其中蒸汽蒸发吸收螺旋管壁热量的吸热功率为：

其中：

——蒸汽蒸发率，kg/s

h_fg——蒸汽汽化潜热，J/kg

Q_E——蒸汽吸热功率，W

步骤4：计算螺旋管管壁结构固体域内的温度分布，并得到螺旋管管壁与螺旋管蒸汽发生器壳侧气体流体域交界面处的网格分布，具体的，在螺旋管管壁固体域内，热量主要通过热传导的方式传递，根据傅里叶导热定律：

其中：

Q_E——蒸汽吸热功率，W

λ——螺旋管管壁结构固体域的导热系数，W/m²·K

A——螺旋管蒸汽发生器管侧流体域和螺旋管管壁结构的固体域的交界面面积，m²

T——螺旋管管壁结构的固体域温度，K

x——螺旋管管壁结构的固体域由内指向外的位置坐标，m

由(7)式得到螺旋管管壁结构的固体域与螺旋管蒸汽发生器壳侧气体流体域交界面处的温度分布；

步骤5：以步骤4中得到的螺旋管管壁结构的固体域与螺旋管蒸汽发生器壳侧气体流体域交界面处的温度分布，采用高温气体的计算方法计算螺旋管蒸汽发生器壳侧气体流体域内的速度场与温度场，具体步骤如下：

步骤5-1：将螺旋管蒸汽发生器壳侧高温气体流体域下部面设置为高温气体的出口，上部面设置为高温气体进口；

步骤5-2：求解高温气体的质量、动量和能量守恒方程，得到螺旋管蒸汽发生器壳侧气体流体域内的速度场与温度场分布；考虑到高温气体的特殊物理性质，采用真实气体模拟，采用式(8)作为气体物性关系式:

pv＝RT_g+B(T)p (8)

其中：

p——气体压力，Pa；

v——气体比热容，J·Kg^-1·K^-1；

R——气体常数；

T_g——气体温度，K；

B(T)——维里系数；

并将其写成脚本形式，导入计算流体动力学软件；对高温气体的计算需对计算流体动力学软件进行修正，具体的，选取适配的湍流普朗特关系式，并将其写成脚本形式并导入计算流体动力学软件，实现对湍流模型的修正；

步骤5-3：按照实际情况，对不同区域内的组分浓度进行初始化；同时对入口边界进行组分设置，保证流场与实际情况符合。

本发明具有以下有益效果：

1)能够实现高温气冷堆螺旋管蒸汽发生器管侧蒸发过程与壳侧高温气体冷却过程的耦合计算；

2)模型独立，方法通用性强，可以适用于不同的计算流体动力学计算分析程序；

3)该计算模型能够实现高温气体、液态水、蒸汽的同时模拟，可以给高温气冷堆中的螺旋管蒸汽发生器工程设计提供更准确地计算数据。

附图说明

图1为典型高温气冷堆螺旋管式蒸汽发生器三维管束模型。

图2为典型高温气冷堆螺旋管式蒸汽发生器流场示意图。

图3为本发明计算方法流程图。

具体实施方式

以下结合图3所示流程图，以典型高温气冷堆螺旋管蒸汽发生器计算过程为例，对本发明作进一步的详细描述，典型高温气冷堆螺旋管蒸汽发生器管束结构如图1所示，其壳侧、管侧流体流动方向如图2所示。

本发明高温气冷堆螺旋管蒸汽发生器热工水力三维计算方法，包括如下步骤：

步骤1：建立高温气冷堆螺旋管蒸汽发生器计算域简化模型，包括螺旋管蒸汽发生器外部封壳模型，螺旋管蒸汽发生器中心支撑柱模型，具体步骤如下：

步骤1-1：运用几何模型建立软件SOLIDWORKS建立高温气冷堆螺旋管蒸汽发生器外部封壳模型，模型为圆柱型结构；

步骤1-2：运用几何模型建立软件SOLIDWORKS建立高温气冷堆螺旋管蒸汽发生器内部支撑柱模型，模型为与步骤1-1建立的高温气冷堆螺旋管蒸汽发生器外部封壳模型同心等高的圆柱体；

步骤1-3：将步骤1-1与步骤1-2建立的模型进行装配，得到高温气冷堆螺旋管蒸汽发生器简化环形通道模型；

步骤2：在步骤1得到的高温气冷堆螺旋管蒸汽发生器简化环形通道模型的基础上运用ANSYS-ICEM进行网格划分，具体过程如下：利用“DEFINE_PROPERTY”设置管束区多孔介质模型，定义二次侧多孔介质孔隙率；在高温气冷堆螺旋管蒸汽发生器其他部位内沿轴向、周向、径向划分不同层数的四面体结构化网格，通过网格独立性分析判定网格数量。

步骤3：在高温气冷堆螺旋管蒸汽发生器管侧计算域网格模型范围内进行流动换热计算，具体步骤如下：

步骤3-1：将高温气冷堆螺旋管蒸汽发生器管侧计算域下部表面设置为流体域入口，并根据真实条件设置入口处混合物中气相体积份额、混合物速度、混合物密度、混合物温度和压力；

步骤3-2：将高温气冷堆螺旋管蒸汽发生器管侧计算域上部表面设置成流体域出口，并设置出口处的压力和温度；

步骤3-3：求解二次侧阻力源项，耦合求解二次侧质量、动量守恒方程，获得高温气冷堆螺旋管蒸汽发生器二次侧流体速度场分布；其中二次侧质量守恒方程为:

二次侧动量守恒方程为：

其中：

t——时间，s

β——孔隙率

ρ_m——混合物密度，kg/m³

——混合物速度，m/s

μ_m,eff——混合物有效粘度，Pa·s

——重力加速度，m·s^-2

α_g——汽相体积份额

ρ_g——汽相密度，kg/m³

α_l——液相体积份额

ρ_l——液相密度，kg/m³

——汽相相对于混合物质量加权平均速度的相对速度，m/s

S_E——能量源项，W·m^-3

通过组分输运方程，得到高温气冷堆螺旋管蒸汽发生器管侧流体组分浓度场分布，其中组分输运方程为：

其中：

t——时间，s

ρ_m——混合物密度，kg/m³

——混合物速度，m/s

Y_i——混合物中的第i相组分浓度即蒸汽和水的质量份额，％

D_i,m——混合物中第i相的层流扩散系数，m²·s^-1

D_i,t——混合物中第i相的湍流扩散系数，m²·s^-1

步骤3-4：求解二次侧能量守恒方程，获得高温气冷堆螺旋管蒸汽发生器二次侧流体温度场分布，其中二次侧能量守恒方程为:

其中：

t——时间，s

β——孔隙率

α_g——汽相体积份额

ρ_g——汽相密度，kg/m³

H_g——汽相焓，J·kg^-1

α_l——液相体积份额

ρ_l——液相密度，kg/m³

H_l——液相焓，J·kg^-1

——汽相速度，m/s

P——压力，Pa

——液相速度，m/s

k_m——混合物导热系数，W·m^-1·K^-1

S_g——汽相质量源项，kg·m^-3·s^-1

步骤3-5：在求得的二次侧流体速度场、温度场与组分浓度场的基础上，通过得到的蒸汽质量份额W_s能够计算出螺旋管蒸汽发生器管侧流体域与螺旋管束管壁固体域交界面处的蒸汽蒸发率为：

其中：

——蒸汽蒸发率，kg/s

ρ_m——混合物密度，kg/m³

D_m——层流扩散系数，m²·s^-1

W_s——蒸汽质量份额，％

n——面法向量

步骤3-6：由步骤3-5中得到的蒸汽蒸发率计算蒸汽蒸发吸收螺旋管管壁结构的固体域热量，其中蒸汽蒸发吸收螺旋管壁热量的吸热功率为：

其中：

——蒸汽蒸发率，kg/s

h_fg——蒸汽汽化潜热，J/kg

Q_E——蒸汽吸热功率，W

步骤4：计算螺旋管管壁结构固体域内的温度分布，并得到螺旋管管壁与螺旋管蒸汽发生器壳侧气体流体域交界面处的网格分布，具体的，在螺旋管管壁固体域内，热量主要通过热传导的方式传递，根据傅里叶导热定律：

其中：

Q_E——蒸汽吸热功率，W

λ——螺旋管管壁结构固体域的导热系数，W/m²·K

A——螺旋管蒸汽发生器管侧流体域和螺旋管管壁结构的固体域的交界面面积，m²

t——螺旋管管壁结构的固体域温度，K

x——螺旋管管壁结构的固体域由内指向外的位置坐标，m

由(7)式得到螺旋管管壁结构的固体域与螺旋管蒸汽发生器壳侧气体流体域交界面处的温度分布；

步骤5：以步骤4中得到的螺旋管管壁结构的固体域与螺旋管蒸汽发生器壳侧气体流体域交界面处的温度分布，采用高温气体的计算方法计算螺旋管蒸汽发生器壳侧气体流体域内的速度场与温度场，具体步骤如下：

步骤5-1：将螺旋管蒸汽发生器壳侧高温气体流体域下部面设置为高温气体的出口，上部面设置为高温气体进口；

步骤5-2：求解高温气体的质量、动量和能量守恒方程，得到螺旋管蒸汽发生器壳侧气体流体域内的速度场与温度场分布；考虑到高温气体的特殊物理性质，采用真实气体模拟，采用式(8)作为气体物性关系式:

pv＝RT_g+B(T)p (8)

其中：

p——气体压力，Pa；

v——气体比热容，J·Kg^-1·K^-1；

R——气体常数；

T_g——气体温度，K；

B(T)——维里系数；

利用“DEFINE_PROPERTY”宏将此关系式撰写成UDF文件格式，最后导入FLUENT软件；对高温气体的计算需对计算流体动力学软件进行修正，具体的，选取适配的湍流普朗特关系式，并利用“DEFINE_PROPERTY”宏将此关系式撰写成UDF文件格式，最后导入FLUENT软件，实现对湍流模型的修正；

步骤5-3：按照实际情况，对不同区域内的组分浓度进行初始化。将螺旋管蒸汽发生器壳侧高温气体流域初始化为氦相，螺旋管蒸汽发生器管侧两相流体域初始化为单相水；同时对于入口边界进行组分设置，将螺旋管蒸汽发生器壳侧高温气体流体域入口处氦气质量分数设置为1，将螺旋管蒸汽发生器管侧两相流体域入口处液态水质量分数设置为1，保证流场与实际情况符合。

Claims (1)

1.一种高温气冷堆螺旋管蒸汽发生器热工水力特性三维计算方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：建立高温气冷堆螺旋管蒸汽发生器计算域简化模型，包括螺旋管蒸汽发生器外部封壳模型和螺旋管蒸汽发生器中心支撑柱模型，具体步骤如下：

步骤1-1：运用几何模型建立软件建立高温气冷堆螺旋管蒸汽发生器外部封壳模型，模型为圆柱体结构；

步骤1-2：运用几何模型建立软件建立高温气冷堆螺旋管蒸汽发生器内部支撑柱模型，模型为与步骤1-1建立的高温气冷堆螺旋管蒸汽发生器外部封壳模型同心等高的圆柱体；

步骤1-3：将步骤1-1与步骤1-2建立的模型进行装配，得到高温气冷堆螺旋管蒸汽发生器简化环形通道模型；

步骤2：在步骤1得到的高温气冷堆螺旋管蒸汽发生器简化环形通道模型的基础上进行网格划分，具体过程如下：将蒸汽发生器管束区简化为多孔介质模型，针对管束区一次侧和二次侧流体域划分网格，对蒸汽发生器其他部位进行四面体结构化网格划分；

步骤3：在高温气冷堆螺旋管蒸汽发生器管侧计算域网格模型范围内进行流动换热计算，具体步骤如下：

步骤3-1：将高温气冷堆螺旋管蒸汽发生器管侧计算域下部表面设置为流体域入口，并根据真实条件设置入口处混合物中气相体积份额、混合物速度、混合物密度、混合物温度和压力；

步骤3-2：将高温气冷堆螺旋管蒸汽发生器管侧计算域上部表面设置成流体域出口，并设置出口处的压力和温度；

步骤3-3：求解二次侧阻力源项，耦合求解二次侧质量、动量守恒方程，获得高温气冷堆螺旋管蒸汽发生器二次侧流体速度场分布；其中二次侧质量守恒方程为：

二次侧动量守恒方程为：

其中：

t——时间，s

β——孔隙率

P_m——混合物密度，kg/m³

-—混合物速度，m/s

μ_m，eff——混合物有效粘度，Pa·s

-—重力加速度，m·s^-2

α_g——汽相体积份额

ρ_g——汽相密度，kg/m³

α_l——液相体积份额

ρ_l——液相密度，kg/m³

——汽相相对于混合物质量加权平均速度的相对速度，m/s

S_E——能量源项，W·m^-3

通过组分输运方程，得到高温气冷堆螺旋管蒸汽发生器管侧流体组分浓度场分布，其中组分输运方程为：

其中：

t——时间，s

ρ_m——混合物密度，kg/m³

-—混合物速度，m/s

Y_i——混合物中的第i相组分浓度即蒸汽和水的质量份额，％

D_i，m——混合物中第i相的层流扩散系数，m²·s^-1

D_i，t——混合物中第i相的湍流扩散系数，m²·s^-1

步骤3-4：求解二次侧能量守恒方程，获得高温气冷堆螺旋管蒸汽发生器二次侧流体温度场分布，其中二次侧能量守恒方程为：

其中：

t——时间，s

β——孔隙率

α_g——汽相体积份额

ρ_g——汽相密度，kg/m³

H_g——汽相焓，J·kg^-1

α_l——液相体积份额

P_l——液相密度，kg/m³

H_l——液相焓，J·kg^-1

-—汽相速度，m/s

P——压力，Pa

——液相速度，m/s

k_m——混合物导热系数，W·m^-1·K^-1

S_g——汽相质量源项，kg·m^-3·s^-1

步骤3-5：在求得的二次侧流体速度场、温度场与组分浓度场的基础上，通过得到的蒸汽质量份额W_s能够计算出螺旋管蒸汽发生器管侧流体域与螺旋管束管壁固体域交界面处的蒸汽蒸发率为：

其中：

——蒸汽蒸发率，kg/s

ρ_m——混合物密度，kg/m³

D_m——层流扩散系数，m²·s^-1

W_s——蒸汽质量份额，％

n——面法向量

步骤3-6：由步骤3-5中得到的蒸汽蒸发率计算蒸汽蒸发吸收螺旋管管壁结构的固体域热量，其中蒸汽蒸发吸收螺旋管壁热量的吸热功率为：

其中：

——蒸汽蒸发率，kg/s

h_fg——蒸汽汽化潜热，J/kg

Q_E——蒸汽吸热功率，W

步骤4：计算螺旋管管壁结构固体域内的温度分布，并得到螺旋管管壁与螺旋管蒸汽发生器壳侧气体流体域交界面处的网格分布，具体的，在螺旋管管壁固体域内，热量主要通过热传导的方式传递，根据傅里叶导热定律：

其中：

Q_E——蒸汽吸热功率，W

λ——螺旋管管壁结构固体域的导热系数，W/m²·K

A——螺旋管蒸汽发生器管侧流体域和螺旋管管壁结构的固体域的交界面面积，m²

T——螺旋管管壁结构的固体域温度，K

x——螺旋管管壁结构的固体域由内指向外的位置坐标，m

由(7)式得到螺旋管管壁结构的固体域与螺旋管蒸汽发生器壳侧气体流体域交界面处的温度分布；

步骤5：以步骤4中得到的螺旋管管壁结构的固体域与螺旋管蒸汽发生器壳侧气体流体域交界面处的温度分布，采用高温气体的计算方法计算螺旋管蒸汽发生器壳侧气体流体域内的速度场与温度场，具体步骤如下：

步骤5-1：将螺旋管蒸汽发生器壳侧高温气体流体域下部面设置为高温气体的出口，上部面设置为高温气体进口；

步骤5-2：求解高温气体的质量、动量和能量守恒方程，得到螺旋管蒸汽发生器壳侧气体流体域内的速度场与温度场分布；考虑到高温气体的特殊物理性质，采用真实气体模拟，采用式(8)作为气体物性关系式：

pv＝RT_g+B(T)p (8)

其中：

p——气体压力，Pa；

v——气体比热容，J·Kg^-1·K^-1；

R——气体常数；

T_g——气体温度，K；

B(T)——维里系数；

并将其写成脚本形式，导入计算流体动力学软件；对高温气体的计算需对计算流体动力学软件进行修正，具体的，选取适配的湍流普朗特关系式，并将其写成脚本形式并导入计算流体动力学软件，实现对湍流模型的修正；

步骤5-3：按照实际情况，对不同区域内的组分浓度进行初始化；同时对入口边界进行组分设置，保证流场与实际情况符合。

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