IRWST濾網漩渦分析技術

翟歡樂，余于仿，周 青，何張陳

（中國能建集團裝備有限公司南京技術中心，江蘇南京 210015）

IRWST濾網漩渦分析技術

翟歡樂，余于仿，周 青，何張陳

（中國能建集團裝備有限公司南京技術中心，江蘇南京 210015）

選擇AP1000核電廠的IRWST濾網為研究對象，給出了臨界淹沒水深計算、瞬態仿真模擬和穩態仿真模擬三種漩渦研究方法，并得出IRWST濾網不會引起漩渦現象的結論。三種方法原理不同，可相互驗證，用于研究濾網類產品的漩渦特性。

IRWST濾網；漩渦分析；瞬態仿真；穩態仿真

0 前言

核島地坑過濾器用于事故工況下攔截碎渣，為堆芯提供冷卻通道。當核島地坑過濾器產生漩渦現象時，其夾帶空氣通過管道進入下游泵的腔內，將降低泵的抽吸作用，使得進入堆芯冷卻通道的冷卻水減少，對核電安全性產生影響[1]。

AP1000核電廠的地坑過濾器為兩套不同的濾網，即內置換料水箱濾網（IR?WST濾網）和安全殼再循環濾網（CR濾網）[1]。CR濾網安裝在83’標高的地板上，其頂部遠低于事故水位，不會產生漩渦現象，可不作考慮；IR?WST濾網安裝在103’標高的內置換料水箱地板上，事故水位初始遠高于IRWST濾網頂部，之后慢慢下降，穩定在108’標高，要求IRWST濾網不會產生漩渦現象。因此，本文對IRWST濾網在水位下降過程中是否產生漩渦現象展開研究，圖1為IRWST濾網的布置示意圖。

圖1 IRWST濾網（A、B、C）布置示意圖

1 分析思路

因水位越高，越不容易產生漩渦現象，通常設定事故初始水位高于IRWST濾網頂部1 m，之后慢慢下降，當水位穩定于108’標高時，距IR?WST濾網頂部0.05 m，見圖2。

本文將采用三種方法對IRWST濾網是否產生漩渦現象進行分析：

（1）參照水電站關于漩渦的臨界淹沒水深計算公式[2-3]進行理論計算；

（2）采用瞬態模擬法進行漩渦仿真分析，即采用水和氣兩相介質模擬實際工況中水位下降過程，可直觀發現是否產生漩渦現象；

（3）采用穩態模擬法進行漩渦仿真分析，直接模擬最低水位即處于標高108’處時內置換料水箱的流動狀態，通過對分析模型速度矢量及壓力分布分析，判斷IRWST濾網是否產生漩渦現象。

圖2 IRWST濾網水位高度圖

2 理論公式計算漩渦現象

一般在邊界條件、來流條件和運行條件一定時，存在一個下限水深，低于這個水深，就會有一定強度的旋渦發生，這個界限水深SC叫臨界淹沒水深，見圖3。由于臨界淹沒水深的影響因素眾多，其計算公式也很多，以Gordont公式應用最為廣泛，已被寫入我國的行業水利行業標準[4]。

1970年Gordont根據29個常規電站側式取水口的原型觀測資料，推導出不發生吸氣旋渦的最小淹沒深度，見圖3，公式為：

胸腔鏡下肺癌根治術是治療肺癌的常見手術方法，在確保微創的同時，也能保證腫瘤切除率[1]。快速康復外科(fast track surgery，FTS)通過微創外科技術、最佳術后鎮痛以及早期活動和術后飲食等圍手術期處理，減少應激反應，降低器官功能障礙的風險，維持生理狀態，促進術后恢復，從而縮短住院時間[2]。我院將FTS理念應用于胸腔鏡手術患者圍手術期管理，現將結果報告如下。

其中：SC—最小淹沒深度（m）；d—閘孔高度（m）；v—閘孔斷面平均流速（m/s）；c—系數，對稱水流取0.55，邊界復雜和側向水流取0.73。

按照Gordont公式對IRWST濾網置于內置換料水箱中能否產生漩渦現象進行計算：

圖3 淹沒深度示意圖

（2）確定閘孔高度d：IRWST濾網（A、B、C）的高度相同，其值為d=1.45 m；

（3）確定系數c：IRWST濾網（A、B、C）均是側向進水，固選擇系數c=0.73；

3 瞬態仿真模擬漩渦現象

3.1 建立分析模型

建立安全殼內置換料水箱分析模型，該模型的出水面為IRWST濾網的進水面，水位面為模型頂部平面，距濾網頂部為1 m，并采用六面體單元對分析模型進行網格劃分，見圖4。

確定分析模型進行漩渦計算時必要的邊界條件：

（1）分析過程中，不考慮外部壓力影響，即水位面的相對壓力為0 Pa；

圖4 IRWST分析模型網格示意圖

（2）出水面的平均流速v=0.02 m/s；

（3）內置換料水箱中水位從初始高度降至高于濾網頂部0.05 m時，需用的時間t=V/Q=1 067 s。

3.2 瞬態法漩渦分析

對分析模型進行計算，前300步部分計算殘差值高于1E-4，但數值已恒定，不隨迭代次數的增加而發生變化，亦達到收斂的目的；300步之后所有計算殘差值低于1E-4，收斂良好，并且檢測點的線性很好，符合分析模型恒定流速輸出的特點。

對分析模型的計算結果進行整理，給出了水位下降20%、50%、75%及100%的水位面及垂直方向水與空氣的分界線，見圖5。在整個水位下降過程中，安全殼內置換料水箱中水位面平整，無漩渦現象產生。

圖5 IRWST濾網瞬態分析結果

4 穩態仿真模擬漩渦現象

采用穩態模擬法進行漩渦分析，模擬安全殼內置換料水箱內水位穩定于標高108’處的狀態。建立安全殼內置換料水箱分析模型，與瞬態模擬法漩渦分析時所建模型相比，唯一不同在于模型頂部平面距濾網頂部平面僅0.05 m，其他尺寸及邊界條件均相同。

對分析模型進行計算，得到其流速矢量圖，見圖6。由圖6可知，在IRWST濾網A、濾網B和濾網C進水口附近，水流速度的方向均是向下，并略傾斜向濾網進水口，未發現代表漩渦現象的環形速度矢量。因此，可判定內置換料水箱內水位下降過程中，IRWST濾網運行不會引起漩渦現象。

圖6 分析模型進水面流速矢量圖

5 結語

本文采用三種方法對IRWST濾網的漩渦現象進行研究，一是采用理論公式法，通過臨界淹沒水深進行判斷；二是采用瞬態仿真模擬法，直接觀察水位下降過程中的水與空氣的分界面；三是采用穩態仿真模擬法，通過流體的速度矢量進行判斷。三種方法原理不同，但得出相同的結論，即內置換料水箱水位下降過程中，IRWST濾網運行不會引起漩渦現象。此結論與實際工況相符合，因AP1000堆型取消了安全級噴淋系統，增大了濾網面積，使得過濾器的流速很低，難以產生漩渦現象。

［1］林誠格，郁祖盛.非能動安全先進核電廠AP1000［M］.北京：原子能出版社，2008.

［2］鄭雙凌，馬吉明.水口漩渦特性及臨界淹沒水深的研究進展［J］.南水北調與水利科技，2010（5）：129-132.

［3］陳云良.進水口前立軸旋渦水力特性的研究［D］.成都：四川大學，2006.

［4］SL285-2003［S］.水利水電工程進水口設計規范.

Vortex Analysis Technique of IRWST Screen

ZHAI Huan-le，YU Yu-fang，ZHOU Qing，HE Zhang-chen
（China Energy Equipment Nanjing Technology Centre，Nanjing210015，China）

Select the IRWST screen used in AP1000 nuclear power plants as the research object.This paper provides three vortex research methods of critical submergence calculation，transient simulation and steady simulation，and concludes that the IRWST screen does not cause vortex phenomenon.The three methods，with different principle，can verify each other，and be used to research the vortex characteristics of filter products.

IRWST screen；vortex analysis；transient simulation；steady simulation

TB126

：A

：1009－9492(2014)12－0148－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.12.037

翟歡樂，男，1985年生，碩士，工程師。研究領域：核電產品、節能環保產品。已發表論文1篇。

(編輯：向 飛)

2014－09－15