压水堆堆坑通风系统热工水力优化分析

文章编号： 2095-2457（2019）28-0018-005

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.28.005

【Abstract】The flow field and temperature field of the Reactor Pit Ventilation（EVC）system of a three-generation pressurized water reactor were analyzed by using three-dimensional numerical simulation method.The flow field and temperature field distribution in the reactor pit ventilation system under different inlet conditions and different air inlet parameters were studied.The numerical results show that the velocity distribution of the ascending section is the most uniform when the inlet direction is 45° from the normal， and the influence of the temperature of the inlet air parameters on the temperature distribution of the pit is greater than the influence of the inlet air volume.The temperature distribution of fluid and solid in the pit under each group of inlet parameters is within a reasonable range.

【Key words】Reactor pit ventilation system;Three-dimensional numerical simulation;Temperature field

在核電站正常功率运行或者热停堆时，反应堆堆坑通风系统（EVC）投入运行，对反应堆压力容器保温层外表面、反应堆堆坑混凝土、堆外电离室、压力容器支承环、包围反应堆冷却剂管道的混凝土通道实施冷却。为了防止以上部件温度超过限值，需要对EVC进行计算研究，得到系统内部的流场和温度场分布。

随着计算机的发展和流体力学理论的完善，国内外学者使用商用CFD软件在反应堆热工水力的数值模拟研究方面已经取得了大量成果。罗磊[1]采用RSM湍流模型分析了环腔的厚度和冷却剂流速对下腔室内冷却剂流场和通过流量板的流量分布的影响。姚朝晖[2]采用求解全三维N-S方程的有限体积法和两方程RNG k-ε湍流模型对压水堆环腔及下腔内三维冷却剂流动进行了数值模拟。Ji Hwan Jeong[3]采用RSM湍流模型分析了韩国标准核电站反应堆下降段和下腔室内冷却剂的流动情况，计算得到了水头损失系数。C.Y.Wu[4]建立马鞍山核电站反应堆上腔室的完整模型，分析了上腔室区域的速度分布、压力分布以及剪应力分布。Gong Hee Lee[5]用CFD的方法分析了大小为真实反应堆1/5的模型反应堆内冷却剂的流动情况。虽然国内外学者使用CFD方法已在反应堆热工水力数值模拟方法取得了丰硕的成果，但是采用CFD方法进行反应堆堆坑通风系统内流场和温度场的研究鲜少见到，本文建立真实堆坑通风系统计算模型，计算和分析了不同EVC进风速度方向和不同进风参数下，反应堆堆坑通风系统内的流场及温度场分布情况。

1 数值计算模型

1.1 系统模型

图1是EVC系统内空气的流动示意图，箭头代表空气在堆坑内的流动轨迹。图2是EVC的剖视三维图，空气从6根非均匀布置的进风管道流入，在下腔室混合后顺着环形流道向上流动，通过堆坑缩颈区后流入上腔室，在上腔室搅浑后通过主管道保温层与混凝土之间的环形通道流出。混凝土内壁上附有一层预埋钢板，环形流道内布置着196个用来固定保温层的保温层支承件，保温层支承件总共有7层，每层均匀分布28个，保温层支承件总共有3种类型，最上层为Ⅴ号支承件，最下层为Ⅱ号支承件，中间5层为Ⅲ号支承件，保温层支承件的三维建模图如图3所示。

三维几何模型采用Pro/Engineer软件进行建模，模型中的几何构件包括混凝土、预埋钢板、保温层、保温层支承件和压力容器支承环等。对整个堆坑系统进行建模时，采取固体域和流体域分开建模的方式，在不影响计算精度的前提下，对堆坑内结构进行了适当的简化处理。

1.2 湍流模型

反应堆堆坑内的空气流动采用求解全三维Navier-Stokes方程进行模拟，具体见文献[2]。目前在计算流体力学对于湍流模拟的方法中，使用较多的有k-ε模型、k-w模型、RSM模型和SST模型，由于堆坑通风系统流体域中锚固件附近存在层流运动，因此选用适应性良好的SST模型。

1.3 网格划分及边界条件

本研究的计算域包括固体域和流体域，对固体域和流体域分开划分网格，同时由于几何模型庞大，固体域和流体域又各自分为若干部分，在CFD求解器中进行交接面的缝合。对于形状规则几何模型采取六面体结构化网格划分，例如混凝土;对于几何形状复杂的区域采用四面体非结构化网格;网格质量均能满足计算要求。

为验证网格独立性解，分别建立3套网格进行计算，数量分别为7975000，17569700和31669679。在高度8.5m截面处取了八个节点，在CFX-POST后处理中导出数据分别对于三套网格的结果进行对比。如图4所示，可以看出，第二套网格和第三套网格计算出来的结果非常接近，其最大误差为6%，从而验证了网格独立性解。本次计算选取第二套网格（17569700）进行计算。

本研究选取最稳健的边界条件，即：

1）入口边界条件包括：给定入口温度和速度，具体如表 1所示，湍流强度均设为中等水平5%。

2）出口边界条件主要包括出口静压，设置参考压力为1atm，由于功率运行条件下安全壳内压力为-200Pa，故设置出口平均静压为-200Pa。

3）混凝土外壁设置为与安全壳内同样的温度40℃。流体与固体接触的面设置为Interface进行耦合传热计算，Interface的类型为GGI模式。

对于其余的流体域表面设定为无滑移（No Slip Wall）、光滑（Smooth Wall）表面。

2 结果和分析

2.1 不同进风方向对上升段速度分布的影响

由于进风管道分布不均匀，上升段环形区域内的速度分布必定不均匀。分别分析入口速度为法线方向、与法线夹角30°、与法线夹角45°和与法线夹角60°这四种工况下上升段的速度分布，如图5所示。

在上述4种情况下堆坑通风系統内流体域的流线图，如图6所示。从流线图可以看出，速度为法线方向时，空气在下腔室搅浑后流入主流区，当速度与法线存在夹角时，空气在下腔室会发生漩涡，空气从进风口进入后旋转向上流动，直至接触到第一层锚固件阻挡后停止旋转流动，顺着流道向上流动，而且随着角度的增大，漩涡越明显，旋转强度越大。

图7为在上述4种情况下高度8.5m处截面（如图4a所示）的速度分布云图，由于锚固件的阻挡，速度分布均呈不均匀变化，当速度为法线方向和与法线夹角45°时，速度分布较为相似，有锚固件阻挡的流道速度较小，没有锚固件的流道速度较大。当速度与法线夹角30°和60°时，最大速度出现的位置较为一致，均在与X轴夹角40°和220°左右的位置。

下面定量分析高8.5m处截面速度分布均匀性，导出不同速度方向条件下的高8.5m处截面速度，并对速度进行无量纲化，即所有速度除以平均速度。图4a为截面坐标定义图，x轴正方向为0度，沿顺时针方向旋转。我们以平均速度的±30%来判定速度的均匀程度，可以明显看出，速度为法线方向和与法线夹角45°时，速度分布较为均匀，都在平均值的上下±30%范围内波动，而速度与法线夹角30°和60°时，速度分布均超出平均速度的±30%。此外，计算可知速度为法线方向、与法线夹角30°、45°和60°时高8.5m处截面速度的标准差分别为0.2525m/s、0.2528m/s、0.2253m/s和0.2662m/s，由此可以看出速度与法线夹角45°时8.5m处截面的速度分布最为均匀。

2.2 不同送风参数对堆坑通风系统的影响

由2.1节分析可知进风速度与法线夹角45°时上升段速度分布最为均匀，下面分析进风参数分别如表 1时，堆坑内部的温度分布情况，由表1可以看出，从送风参数1到送风参数3，送风温度依次升高，送风量逐渐增大。

如图9到图11所示是不同进风参数下预埋钢板的温度分布，可以看出不同送风温度和送风量下，预埋钢板的温度分布云图非常相似，但是预埋钢板的温度范围却有所不同，由图12可知随着送风温度的升高以及送风量的增大，预埋钢板的最高温度和最低温度都在升高，而且最低温度升高的趋势比最高温度升高的趋势更明显。由此可知，送风温度对堆坑内温度的影响大于送风量的影响。

在EVC系统中，空气的主要作用就是带走堆坑内各个散热部件的热量，保证其温度不超过限值，以确保反应堆的安全运行。下面将三组通风参数下堆坑内保温层的散热量列于下表2中，可以看出，随着送风温度的升高和送风量的增大，保温层的散热量都有所增加。

2.3 整体分析

下面分析在送风参数2的情况下堆坑内的流场和温度场分布情况。如图13所示，空气从进风口流入，在下腔室旋转搅浑后向上流动，空气沿高度方向压力逐渐降低。

如图14所示，由于空气从下至上温度逐渐升高，冷却能力逐渐减弱，故预埋钢板温度从下至上逐渐升高。由于锚固件的直接导热，预埋钢板上出现如图所示的高温热点。最高温度出现在最高层锚固件直接导热的位置，此处空气的冷却能力最差，导致锚固件和预埋钢板的最高温度都出现在此，预埋钢板的最高温度为40.35℃，没有达到要求的温度限值65℃，在安全范围内。

图15为与压力容器支承环接触的混凝土表面温度，由于支承环上方为主管道的热管道，此处出现混凝土的最高温度，最高温度为45.95℃，在安全范围内。

3 结论

本文通过建立某三代压水堆的堆坑通风系统完整的计算模型，对系统内部流场以及温度场进行了数值分析，重点关注了关键部位的温度场，结论如下。

1）分析了不同堆坑通风系统进风方向对上升段速度分布的影响，得到当进风速度方向与法线夹角45°时上升段速度分布最均匀。

2）预埋钢板的最高温度是由保温层支承件的导热所致，最高温度没有达到设计极限温度65℃，对反应堆安全运行有利。

3）混凝土的最高温度是由支撑环的导热所致，最高温度没有达到设计极限温度;混凝土外界温度高于堆坑内部气流温度，所以热量从外部向内部传播。

【参考文献】

[1]罗磊，章德，陈文振，等.压水堆下腔室流量分布数值分析[J].原子能科学技术，2010，44（增刊）：187-191.

[2]姚朝晖，沈孟育，王学芳.压水堆堆内进口环腔及下腔室中冷却剂三维流动的数值模拟[J].核科学与工程，1996，16[9]：229-234.

[3]Ji Hwan Jeong，Byoung-Sub Han.Coolant flow field in a real geometry of PWR downcomer and lower plenum.Annals of Nuclear Energy，2008，35，610-619.

[4]C.Y.Wu，Y.M.Ferng，C.C.Chieng，Z.C.Kang.CFD analysis for full vessel upper plenum in Maanshan Nuclear Power Plant.Nuclear Engineer and Design，2012，253，285-293.

[5]Gong Hee Lee，Chan Yi Song，Young Seok Bang.CFD Simulation of Reactor Internal Flow in the Scaled APR+.Journal of Energy and Power Engineering，2013，7，1533-1538.

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