基于CFD計算的核電廠半管水位運行工況余排接管入口渦流吸氣效應研究

沈云海　趙禹　張玉龍　賴建永　王保平

【摘 要】核電廠半管水位運行工況期間，余熱排出系統與主管道連接的管道入口可能發生渦流吸氣現象導致氣體進入余排管道，影響余排泵的效率甚至造成余排泵氣蝕損壞，進而導致余熱導出能力失效。本文基于成熟的核電廠余排管道入口結構設計，采用CFD的方法對不同形式的余排管道入口流動情況進行模擬仿真計算分析，并對半管水位、余排流量等關鍵參數進行了對比分析，一定程度上為余排接管入口防渦流吸氣的設計提供了理論指導。

【關鍵詞】核電廠；半管水位運行工況；渦流吸氣；CFD；模擬仿真

CFD simulation on Vortex and air-ingestion phenomenon at the junction of residual heat removal system （RHR） during mid-loop operation at nuclear power plant

SHEN Yun-hai ZHAO Yu ZHANG Yu-long LAI Jian-yong WANG Bao-ping

（Science and Technology on Reactor System Design Technology Laboratory， Nuclear Power Institute of China， Chengdu Sichuan 610041， China）

【Abstract】Vortex and air-ingestion phenomenon may happen at junction of residual heat removal system （RHR） and primary pipe during mid-loop operation at nuclear power plant. Vortex and air-ingestion phenomenon leading to gas go inside RHR pipe can influence the efficiency of RHR pump， even damage the pump by cavitation and result in ability of removing heat of reactor lose finally. CFD were used to simulate fluid field at the junction， and analyse the parameter of fluid field such as level of mid-loop and flow rate. This article is base on mature design of structural of RHR junction， and it can help to design of preventing Air-ingestion phenomenon.

【Key words】Nuclear power plant； Mid-loop operation； Vortex and air-ingestion； CDF； Simulate analysis

0 前言

核電廠“半管水位運行”是指在核電站正常停堆換料期間，反應堆冷卻劑系統中整體水位根據蒸汽發生器檢修操作需要下降到接近熱管段半管高度時的運行狀態，此時余熱排出系統（RHR）與RCS系統連通，通過余熱排出泵持續將堆芯余熱導至余排熱交換器二次側。

理論研究結果和工程運行經驗都表明，“半管水位運行”期間主管道熱段的余排接管嘴附近可能會發生渦流吸氣問題，空氣進入余排管道對余排泵的性能以及整個余排系統的功能實現有不利的影響。

本文基于目前成熟的核電廠余排管道入口結構設計，采用CFD軟件對不同形式的余排入口流動情況進行模擬仿真計算分析，同時對半管水位、流量參數等關健參數進行了對比分析，確定了渦流效應的影響因素，一定程度上為余排接管入口防渦流吸氣的設計提供了理論指導。

1 物流吸氣效應原理及CFD計算適用性分析

1.1 渦流吸氣效應原理

這種可能發生在余熱排出系統入口管道處的漩渦屬于典型的自由表面漩渦現象，在很多工程中都很常見。現階段在理論上對于這種漩渦的發生的物理機理還沒有統一的認識，工程上一般認為是由于不均勻的來流本身存在一定的漩渦，漩渦隨著流動發展在入口附近聚集增強，逐漸發展成為較強的漩渦。漩渦的產生會導致漩渦中心處的流體壓強減小，同時入口處流體本身具有一定的流速也將導致該處壓強減小，這兩個因素帶來的中心流體壓強的減小會使入口中心附近的液面下凹，進而出現吸氣問題。

1.2 CFD計算適用性分析

對于這種可能發生在余熱排出系統入口管道處的渦流吸氣效應，目前核電工程上主要通過試驗研究來進行設計驗證。

通過CFD模擬計算來對這個問題進行研究主要存在兩方面的問題：（1）CFD模擬計算中不能準確的考慮不均勻來流本身存在的漩渦強度；（2）這類自由表面渦流吸氣問題涉及到渦間的非線性作用等深層次的物理過程，CFD模擬計算對于該問題的準確模擬還比較困難。總的看來，現階段的CFD模擬計算手段可以較好考慮余排管道入口處流體因大流速而帶來的壓強減小，但不能很好考慮漩渦聚集帶來的壓強減小，所以計算結果與實際情況將存在一定的偏差，偏差的大小由具體問題決定。

但對于余熱排出系統入口管道處發生的自由表面渦流吸氣問題，由于主管道熱管段內的流場較為均勻，實際流場中的漩渦強度較小。通過CFD模擬計算可以在一定程度上反映實際的流動情況，可用于對于問題的初步分析。

2 CFD模擬計算

2.1 計算方法

基于FLUENT14.5軟件，結合VOF方法對該問題進行模擬計算，湍流模型選擇SST-CC模型。主管道及余排接管的模型建立參考成熟核電廠的余排接管形式及結構參數，詳見圖1。

（a）等徑余排入口管道布置在主管道熱段底部

（b）等徑余排入口管道布置在主管道熱段側部

圖1 計算模型幾何結構圖

綜合考慮工程中的實際流動情況以及模擬計算需要，計算的物理過程和邊界條件設置取結構（a）的某一剖面為代表說明，如圖2所示：

1）主管道熱段內初始具有一定高度的水位h（m）（即半管水位，用和主管道直徑D的百分比表示）；

2）圖中紅色區域表示水占據的位置，藍色區域表示氣占據的位置；

3）主管道熱段左端為流動的入口，設為速度邊界，底部細管（余熱排出系統接管）為質量出口邊界，出口流量為Q（m3/h），主管道熱段右端為封閉壁面；

4）計算中保證入口和出口流量相同，維持主管內的主要液位（總水量）保持不變，通過瞬態計算得到流場趨于穩定時的流動情況。

圖2 流動過程的邊界條件設置

針對不同的幾何結構，選擇了不同的半管水位和余排流量進行了計算比較，研究余排接管入口結構，余排流量以及半管水位對于余排管道進氣的影響，計算條件如表1所示：

表1 計算參數說明

2.2 計算結果

計算得到不同工況下的穩定流場結構，以兩相密度圖判斷是否有氣體進入余排管道，計算結果如下所示（為較好顯示結果，余排管道底部出口結構采用中心截面顯示，側部出口采用壁面顯示）。

計算1：主管道熱段液位基本平穩，余排管道入口附近只有很輕微的液面下陷，余排管道出口截面為純液相，無氣相（圖3）。

圖3

計算2：主管道熱段液位基本平穩，余排管道入口附近有輕微的液面下陷，余排管道出口截面為純液相，無氣相（圖4）。

圖4

計算3：主管道熱段液位有一定波動，余排管道入口附近有一定的液面下陷，余排管道出口截面為純液相，無氣相（圖5）。

圖5

計算4：主管道熱段液位有波動，余排管道入口附近有較明顯的液面下陷，并伴隨著氣體進入，余排管道出口截面大部分液相，有氣相摻雜（圖6）。

圖6

計算5：主管道熱段液位不平穩，余排管道入口附近有很大的液面下陷，并伴隨著氣體進入，余排管道出口截面有較多氣相。（注：由于余排管道入口混雜很多氣體，計算實際并未達到穩定，出口流量為1820m3/h。）（圖7）

圖7

計算6：主管道熱段液位不平穩，余排管道入口附近有很大的液面下陷，并伴隨著氣體進入，余排管道出口截面大部分為氣相。（注：由于余排管道入口在較低流量下就已混雜很多氣體，計算實際并未達到穩定，出口流量也只達到1038m3/h左右。）（圖8）

圖8

2.3 計算結果分析

從計算1和2的結果可以看到，在核電廠實際半管水位工況對應的半管水位高度、余排流量下，兩種連接形式的余排管道入口附近的液面均基本平穩，余排管道內無氣相，能良好的避免余熱管道入口渦流吸氣現象發生。

從計算1和3以及計算2和4的結果對比可以看到，隨著余排流量增大，余排管道入口附近的液面會有一定下陷，存在氣體進入余排管道的可能。這是由于流量增大，余排管道入口附近流速也較大，根據伯努利原理，其壓強相對較小，液面會有較明顯的下陷現象，更容易導致氣體進入余排管道。

從計算3和4的結果對比可以看到，余排管道入口布置在主管道熱段側部相比于布置在底部的情況，其主管道內主液面相對余排管道入口的距離更近，同時局部液面的流速會相對較高，液面下陷的現象更明顯，將更容易導致氣體進入余排管道。

從對比計算3和5以及計算4和6的結果可以看到，當半管水位（即主管道內液位）較低，主液位與余排管道入口距離較近時，余排接管入口處液面下陷現象十分明顯，氣體將隨著渦流進入到余排管道內。

綜上所述，通過采用CFD的方法對核電廠半管水位工況下余排管道入口出現的渦流吸氣效應進行計算模擬及對比分析，可以得到以下結論：

1）對于相同的余排接管形式，其主管道內水位越低，余排流量越大，越容易在余排管道入口處形成渦流，氣體越容易隨渦流進入余排管道；

2）在相同的主管道水位和余排流量的條件下，余排接管入口設在主管道側部相比于設在主管道底部，更容易形成渦流導致氣體進入余排管道。

3 結束語

本文針對核電廠“半管水位運行”期間主管道熱段的余排接管嘴附近可能發生渦流吸氣問題，基于核電廠實際設計參數，采用CFD方法對兩種不同接管形式的余排入口流動情況進行模擬仿真計算分析，同時對半管水位、流量參數等關健參數進行了敏感性分析，確定了渦流效應的主要影響因素。在核電廠余排接管入口防渦流吸氣的設計上，一定程度上為后續新建機組設計、現役機組技術改造提供了理論指導。

[責任編輯：湯靜]