核电厂蒸汽发生器二次侧三维流场分析
张 盼1，2，陆道纲1，张春明2，马忠英1
【摘 要】摘要：为弄清核电厂蒸汽发生器二次侧的流动和传热特性机理，以确保蒸汽发生器的稳定性，文章采用数值软件根据蒸汽发生器的结构特点和运行模式进行简化建模，利用相似原理，使用相变模块模拟了蒸汽发生器的二次侧汽液两相流的流场分布情况。研究了相同结构下不同给水比例对二次侧流场分布的影响，尤其是对空泡份额分布特性的影响。研究发现，不同的给水工况对直管段的空泡份额分布和流体流速分布都有明显的影响，但对传热管上部区域的空泡份额和速度分布的影响不大。 【期刊名称】核安全
【年(卷),期】2014(013)002 【总页数】6
【关键词】蒸汽发生器；汽液两相流；空泡份额；给水
21世纪初，受能源危机的影响，核能因其经济性和安全性受到世界各国的广泛关注，核工业迅猛发展。然而，在福岛事故发生之后，国际社会对核设施的安全性和可靠性提出了更为严格的要求［1］。而核电厂的安全性与回路中的热工水力学特性有着密切的联系。蒸汽发生器是回路中的核心设备，其传热管是反应堆冷却剂压力边界的主要组成部分［2］。所以，它的稳定性与核电厂的安全性有着密切的联系。我国核电发展的策略是引进、消化和吸收AP1000［3］技术，并在此基础上开发自主的CAP1400技术，由于功率的提升，必然需要增大蒸汽发生器的体积，但体积增大后蒸汽发生器内部的流动特性必然会改变，这样会影响其稳定性。因此，研究蒸汽发生器内部的流动特性及传热机理，对
提高核电厂的安全性有十分重要的意义。
经文献调研发现，对蒸汽发生器的研究主要集中在蒸汽发生器的水位控制、传热管腐蚀和系统故障诊断与检测等方面，在少数几篇公开发表的关于蒸汽发生器流动和传热特性研究方面的文章中，主要采用多孔介质模型进行单相和两相三维流场分析，并利用matlab、ralap 5等仿真软件进行蒸汽发生器在不同工况下的稳态换热性能计算［4-10］。
本文以美国西屋公司研究设计的AP1000核电厂为例［12］，针对蒸汽发生器的结构特点，对包括U型管束在内的流域进行整体的简化建模，并根据蒸汽发生器稳态运行工况，为建好的几何模型定义物理模型及边界条件，得到蒸汽发生器内部的二次侧流场分布特性，并对比非均匀给水工况（以下简称工况1）和均匀给水工况（以下简称工况2）两种工况，分析得出给水方式对二次侧流场的影响。
1 计算的几何模型与边界条件
1.1 计算几何模型
蒸汽发生器的结构十分复杂，它主要由管板、管束、管束套筒、上封头、下封头、上筒体、下筒体和汽水分离器等组成。而本文主要研究蒸汽发生器二次侧管束区的流动和传热特性，因此建立的几何模型选取的是管板上部到汽水分离器下部的热交换区域。
图1是针对蒸汽发生器二次侧热交换区域建立的几何模型。几何模型不考虑管束套筒和下筒体之间的下降段，因此二次侧冷却剂的入口为管板与管束套筒之间的间隙。图中是几何模型的外部视图，图中包括管束套筒、管板、管束、二次侧出口和管板与管束套筒的间隙（二次侧冷却剂入口）。图中模型的主要结构
为U型管束。几何模型是在实际结构的基础上增大了U型管直径，其他尺寸与实际结构尺寸相同，尺寸参数见表1。 1.2 边界条件
本文主要研究蒸汽发生器二次侧的流动及传热特性，并针对AP1000蒸汽发生器的均匀给水方式和M310蒸汽发生器非均匀（4：1）给水方式进行对比研究。 由于几何模型进行了简化，为了使该模型与原结构有相似的对流传热现象，需保证努塞尔数相等，要使努塞尔数相等就要使雷诺数相等，而雷诺数由于动力粘度不变，管径D增大20.48倍，所以二次侧冷却剂流速V要减小20.48倍。U型管管壁采用第一类边界条件，直管段温度参照文献［11］和蒸汽发生器的运行参数，拟合成沿垂直高度Z方向的线性分布函数，而弯管的热流密度变化不大，采用定温边界。边界条件见表2。
2 结果与讨论
选取几个有代表性的截面进行分析研究，各截面的相对位置如图2所示，图中数字1～4代表各个截面。截面1到截面3分别是沿垂直方向（Z方向）不同高度上的横截面，它们到管板的垂直高度分别为2 m、8.5 m和11.8 m。截面4是沿流动方向所截的纵向剖面。为了避开U型换热管，得到一个能够完整表述纵向流动情况的截面，以便更清楚地研究沿纵向的流动变化情况，截面4与纵向对称剖面间的距离为0.441 m（即y=0.441平面）。 2.1 含汽率（空泡份额）沿垂直高度的分布特性
图3和图4分别是工况1和工况2两种工况下纵向剖面上空泡份额的分布特性，此纵向剖面为Y=0.441 m的XZ平面，X的正负方向分别对应U型传热管的热侧和冷侧，Z方向为主流方向。通过此平面可以显示二次侧流体从入口到出口
核电厂蒸汽发生器二次侧三维流场分析
