極端熱沖擊環境中瞬態特征和測量影響因素分析

摘 要： 失水事故（lose of coolant accident，LOCA） 試驗中極端熱沖擊測試作為核設備安全檢測中的關鍵測試之一，能夠模擬LOCA 事故中高溫高壓蒸汽對核設備造成的損害程度和設備運行工況的影響情況。在LOCA 試驗過程中的溫度變化對熱沖擊實驗研究尤為重要，實際測試中很難測量出整個壓力容器中的溫度變化，需要在整個環境中多點布置溫度傳感器才能測得。如何分析極端溫度沖擊下的壓力容器溫度場分布和優化傳感器布局成為LOCA 測試系統的關鍵問題。因此采用ANSYS Fluent 軟件對LOCA 熱沖擊測試環境進行仿真模型，提取極端熱沖擊的瞬態參數，驗證實驗倉內流體運動狀態和紊流情況，研究測試環境中溫度分布特性和溫度傳感器擺放位置。在仿真測試中LOCA 仿真模型中試驗品表面溫度與實際測試環境表面溫度偏差小于2℃，仿真模型符合實際測試需求。

關鍵詞： 失水事故; 極端熱沖擊; 有限元分析; 瞬態溫度

中圖分類號： TB9; TP399 文獻標志碼： A 文章編號： 1674–5124（2024）11–0090–08

0 引 言

極端熱沖擊環境模擬[1-4] 是核電LOCA 領域仿真中至關重要的環節。通過控制輸入蒸汽、空氣的比例及大小對試驗倉中環境溫度、壓力進行耦合，建立高溫高壓的試驗條件，測試設備的運行性能和損壞程度[5-6]。測試結果可以為核電設備的設計、制造提供相關參數[7]。

文獻[8] 研究了對稱和非對稱情況下VVER-1 200核反應堆冷卻泵在發生漏水事故時的計算流體力學仿真，建立VV-1 200 反應堆容器模型，模擬在不同邊界條件下的流動和傳熱特性，確認VV-1 200 反應堆容器模型是可靠和有效的，但是沒有詳細研究瞬態分布特性。文獻[9] 將OD 模型和GETTHEM 模型進行CFD 三維模型仿真對比，研究了EU DEMOVV 模型結構的超音速流動狀態，通過CFD 仿真結果和試驗測試數據對比發現該模型在欠膨脹射流瞬態分布中是可靠的。文獻[10] 研究了華龍一號LOCA 質能釋放和安全殼的熱工響應過程，采用DRM 方法對關鍵參數進行分析，DRM 懲罰模型結果保守適用于LOCA 響應分析。文獻[11] 研究了失水事故中安全殼在高溫環境中溫度場和應力場的影響，通過分析安全殼在不同時間的溫度和應力分布特點，得出LOCA 事故下安全殼溫度場和應力場分布特點。文獻[12] 研究了LOCA 爐在封閉空間內熱沖擊下的熱工響應， 通過CFD 軟件建立LOCA 爐內蒸汽流動和傳熱的數學模型，得出達到額定溫度和壓力的時間參數。

綜上，核電LOCA 熱沖擊研究通常對核反應堆內部不同部件發生LOCA 事故的情況進行CFD 仿真，對熱沖擊環境模擬研究的很少。由于LOCA 試驗的不可重復性，導致很難測量出整個壓力容器中的溫度、壓力變化，而且進行LOCA 熱沖擊試驗所需蒸汽消耗天然氣的量是巨大的，因此建立一套LOCA 熱沖擊環境仿真模型作為正式試驗前的模擬是必不可少的。

本文擬對熱沖擊環境的模擬仿真開展研究，建立熱沖擊環境的流動和傳熱的數學模型，分析仿真實驗中的熱沖擊輸入參數和倉內溫度速度矢量分布圖。研究試驗倉在不同時間下的溫度、速度的瞬態分布以及相關傳感器的擺放位置。

1 LOCA 環境分析

1.1 模型建立

實驗依托的LOCA 測試環境主體為直徑為1.8 m，高度為1.0 m 的不銹鋼保溫罐體，仿真模型中簡化了試驗倉結構，保證試驗倉體積不變，如圖1 所示。試驗倉外層包裹保溫材料，電加熱絲提供加熱措施。蒸汽發生器和蒸汽儲氣罐負責蒸汽的產生和輸出。蒸汽、空氣儲氣罐與試驗倉之間的連通由調節閥調節通斷，蒸汽和空氣的輸入狀態通過上位機控制，廢氣通過尾氣處理池處理之后通過排氣口排向外界。

如圖2 所示，試驗倉蒸汽輸入口設置在側壁，空氣輸入口也設置在蒸汽輸入口同側，排氣口設置在試驗倉的底部。蒸汽輸入口和排氣口設置不對稱的原因[13] 是：避免蒸汽流體通過輸出口直接流出，提高試驗溫度精度。為保證仿真數據的準確性，LOCA 模型的參數設置與實際保持一致。數據如表1 所示，LOCA 試驗倉的底部中間為數據坐標原點。

1.2 理論分析

LOCA 熱沖擊試驗為單蒸汽輸入，根據單相流體流動情況，假設進入倉內的氣體流體是一種理想可壓縮流體狀態。熱沖擊過程很短，忽略流體和壁面的熱交換過程。從而在給定的流場、初始和邊界條件下對質量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程求解。