非能動安全殼冷卻系統CFD冷凝和蒸發模型研究

李懿　武建新

摘 要：在非能動安全殼冷卻系統CFD冷凝模型和蒸發模型的開發過程中，應用了計算流體動力學程序平臺CASTEM。采用了Buleev湍流模型和k-ε湍流模型作為冷凝模型，采用了G.Aiello發展液膜蒸發模型作為蒸發模型。經過研究和試驗證明，試驗值和計算值之間，具有較為良好的吻合度，因此，在非能動安全殼冷卻系統當中，能夠采用建立的冷凝模型和蒸發模型對其穩態下的傳熱傳質特性進行模擬。

關鍵詞：非能動安全殼冷卻系統；CFD；冷凝模型；蒸發模型

前言

在先進壓水堆的一些假想事故，例如失水事故當中，利用非能動安全殼冷卻系統對安全殼進行排熱處理。設計了雙層的安全殼結構，其中事故之后的傳熱面為內層的鋼安全殼。在發生失水事故之后，破口處會有冷卻劑泄漏到安全殼當中，在低壓狀態下閃蒸，利用冷凝機制、對流機制等，向鋼安全殼壁傳遞熱量，然后經過壁面向外側流動液膜傳遞。液膜受熱蒸發，會形成向上流動的水蒸汽，從而從安全殼頂部開口出帶走熱量。

1 冷凝模型

在冷凝模型當中，2D矩形通道是其計算區域，對低雷諾數下的NAVIER-STOKES方程進行計算，能夠得到相應的質量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程、組分傳輸方程等。分別采用了Buleev湍流模型和Chien k-ε湍流模型[1]。其中，Buleev湍流模型具有良好的魯棒性，Chien k-ε湍流模型則具有良好的準確性。通過COPAIN冷凝試驗對冷凝模型進行數據驗證。結合實際情況，對79個驗證工況進行計算，其中，利用兩種模型分別計算了59個工況和20個工況。最終得出的總冷凝質量流率計算值與試驗值之間，存在著15%以內的偏差，證明了冷凝模型具有良好的準確性，能夠用于非能動安全殼冷卻系統CFD模型的建立。

2 蒸發模型

在蒸發模型當中，針對非能動安全殼冷卻系統中，鋼安全殼外側的空氣環腔，利用G.Aiello進行了相應的1D模型的開發。在模型當中，對液膜、空氣之間的質量平衡、能量平衡等進行了兼顧，具體分為蒸發傳熱、對流傳熱、傳導傳熱等不同的液膜主要傳熱機理。在模型當中，主要是通過濕空氣能量平衡方程、液膜質量平衡方程、濕空氣動量平衡方程等進行求解，同時將總熱流密度方程、對流熱流密度、液膜蒸發質量流密度、液膜蒸發熱流密度等作為求解的輔助方程[2]。

如果工況中存在無液膜覆蓋的干壁狀態，在模型當中，利用CF

X-4程度進行計算，并且驗證得到的結果，從而證明了模型與程序的計算結果比較相符。如果工況是有液膜覆蓋的濕壁狀態，可利用Park和Kang的蒸發試驗進行驗證，計算數值采用干壁工況狀態下的標定值。通過計算，能夠得出在軸向平均傳熱系數中，隨著入口空氣流速變化曲線和試驗值的對比情況，從而得出在蒸發模型中，計算值和試驗值比較相符。由此可見，蒸發模型在干壁工況和濕壁工況下，都具有較高的準確度，因而能夠用于非動能安全殼冷卻系統CFD模型的建立。

3 非能動安全科冷凝系統CFD模型

根據前面開發完成的冷凝模型和蒸發模型，可以進行非動能安全殼冷卻系統CFD模型的建立。在該CFD模型當中，根據邊界條件、幾何參數等相關的參數，例如蒸發通道的高度、寬度、壓力、入口溫度；冷凝板的高度、厚度；冷凝通道的高度、寬度、壓力、入口溫度、入口流速、質量分數等，就能夠對非動能安全殼冷卻系統的運行特性進行反映。在冷凝板處，空氣和蒸汽的混合物會發生冷凝，蒸汽的質量分數、近壁面的溫度等都會有所下降[3]。會朝著壁面方向，產生冷凝質量流率。通過冷凝、對流等方式，熱量能夠傳遞到壁面，進而繼續向壁面外側的液膜進行傳遞。液膜在吸收熱量之后，會蒸發產生蒸發質量流密度，進而通過與空氣的對流和蒸發進行熱量傳遞。空氣受熱上升，會在向上流動的過程中，蒸汽質量分數、空氣溫度等，也會逐漸升高。

在穩態下，CFD模型中的參數分布情況，能夠反映出非能動安全殼冷卻系統的變化趨勢，結果表明其與計算結構基本吻合。總熱流密度在冷凝板兩側具有一定的不同，尤其是在兩側通道的出入口位置，具有更為明顯的差別。這主要是因為在通道入口處，具有入口效應，同時受到第一個三維計算網格處理方式的影響造成的[4]。經過驗證，表明總傳熱量在冷凝板兩側是相同的。因此，非能動安全殼冷卻系統CFD冷凝模型和蒸發模型能夠對其穩態下的傳熱特性進行有效的模擬，從而掌握其運行狀態，確保其發揮出良好的作用和效果。

4 結束語

非動能安全殼冷卻系統在實際應用中具有十分重要的作用，為了確保其能夠發揮出更為良好的性能和效果，采用CFD來對冷卻系統的冷凝模型和蒸發模型進行開發，并且以此為基礎建立非動能安全殼冷卻系統CFD模型。經過試驗和研究證明，該模型具有較為良好的準確性，因而能夠在實際應用中發揮出良好的作用。

參考文獻

[1]蔣孝蔚，余紅星，孫玉發，等.非能動安全殼冷卻系統傳熱傳質模型研究[J].核動力工程，2013，5：118-123.

[2]葉成，鄭明光，王勇，等.AP1000非能動安全殼冷卻水WGOTHIC分析[J].原子能科學技術，2013，12：2225-2230.

[3]魏巍，魏來，陳艷芳，等.基于SimCont的AP1000非能動安全殼冷卻系統仿真實現[J]. 原子能科學技術，2013，5：794-797.

[4]孫流莉，陽祥，趙瑞昌，等.安全殼冷卻試驗蒸發特征數不確定度評定方法及其應用[J].動力工程學報，2015，8：687-692.

作者簡介：李懿（1991-），女，籍貫：內蒙古，學歷：本科，職稱：研究生，研究方向：智能控制技術、多場耦合機電系統動力學分析。

武建新（1971-），男，籍貫：內蒙古，學位：博士，職稱：教授，研究方向：機器人技術、智能控制技術、多場耦合機電系統動力學分析、機電系統優化。