基于流固耦合的核電廠蒸汽發(fā)生器主給水接管瞬態(tài)溫度場分析

張文其　黃偉　何戈寧　李冬慧　胡彧　魯佳

【摘 要】核電廠蒸汽發(fā)生器（SG）發(fā)生某些瞬態(tài)波動時，主給水系統(tǒng)停運并切換至輔助給水，將使主給水接管嘴內流體產生較大的溫度梯度，對主給水接管嘴材料造成較大的熱沖擊。為了準確評價熱沖擊影響，就需要對主給水接管的溫度場進行準確計算。本文采用流固耦合的計算方法，利用商用計算流體力學進行計算分析，獲得了瞬態(tài)工況中不同時間、不同位置的流場及溫度場分布情況。利用本文的計算結果，可以更準確的對瞬態(tài)工況下主給水接管的熱沖擊影響進行評價。

【關鍵詞】流固耦合；蒸汽發(fā)生器；主給水接管；瞬態(tài)溫度場分析

中圖分類號： TH313 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2017）26-0088-002

Transient Temperature Field Analysis of Main Water Supply Tube for Steam Generator Based on Fluid-Structure Coupling

ZHANG Wen-qi HUANG Wei HE Ge-ning LI Dong-hui HU Lu LU Jia

（China Nuclear Power Research Institute，Chengdu 610000，China）

【Abstract】When some transient fluctuations occur in the steam generator（SG）of a nuclear power plant，the main water supply system is shut down and switched to auxiliary water supply，which causes a large temperature gradient in the fluid in the main water supply nozzle.Caused a greater thermal shock.In order to accurately evaluate the impact of thermal shock，it is necessary to accurately calculate the temperature field of the main water supply pipe.In this paper， fluid-solid coupling calculation method is used to calculate and analyze with commercial computational fluid dynamics to obtain the distribution of flow field and temperature field at different times and locations in transient conditions.The results of this paper can be used to evaluate the influence of thermal shock on the main feed water pipe under transient conditions more accurately.

【Key words】Fluid-structure coupling；Steam generator；Main feed water connection；Transient temperature field analysis

0 引言

核電廠蒸汽發(fā)生器（簡稱SG）的給水通常分為主給水、啟動給水、輔助給水等幾類。這些給水通過蒸汽發(fā)生器二次側承壓筒體上的給水接管嘴引入SG。

額定功率運行時，主給水溫度較高（約226℃）。當核電廠發(fā)生某些瞬態(tài)波動時，主給水系統(tǒng)停運并切換至輔助給水。由于輔助給水溫度很低（冬季僅7℃），其引入SG內部過程中將使主給水接管嘴內流體產生較大的溫度梯度，產生較大的溫差應力，對主給水接管嘴材料造成較大的熱沖擊。

為了評價上述瞬態(tài)工況對設備的熱沖擊影響，就需要對主給水接管內的流場以及主給水接管嘴金屬材料的溫度場進行準確計算。

目前某些工程采用了簡單假設方法，假設輔助給水引入時，給水接管嘴內部流體邊界壁溫立即變?yōu)檩^低溫度（7℃）。這種假設過于簡化，難以準確判斷出溫差應力最大的位置。

本文采用流固耦合的計算方法，利用商用計算流體力學進行計算分析，計算瞬態(tài)工況中不同時間、不同位置的流程及溫度場分布情況。

1 計算模型建立

1.1 物理模型建立

蒸汽發(fā)生器的主給水接管嘴通常設置在SG上部筒體位置并在主給水接管嘴內側設置防熱沖擊套管，在防熱沖擊套管末端連接主給水母管彎頭、三通、給水環(huán)等結構，見圖1。

由于本文的分析針對瞬態(tài)工況，需要考慮給水接管及防熱沖擊套管與給水接管內流體的傳熱、需要考慮防熱沖擊套管和給水接管與其間流體的傳熱，同時給水接管及其鄰近區(qū)域金屬的熱容及其變化也需進行考慮。因此，本文建立三維流固耦合分析物理模型，模型包括流體區(qū)域以及固體區(qū)域。考慮到SG內部的主給水母管彎頭、三通、給水環(huán)等結構屬于非承壓件，不在分析的范圍內。本文的物理模型包括給水接管內的流體區(qū)域以及防熱沖擊套管與給水接管間的流體區(qū)域以及SG二次側承壓殼體、主給水接管、防熱沖擊套管等固體區(qū)域。不同區(qū)域的材料見表1。

由于物理結構具有對稱性，計算模型采用二分之一模型。計算采用的物理模型見圖2。

1.2 網(wǎng)格劃分及計算模型

使用商用CFD網(wǎng)格軟件劃分6面體結構網(wǎng)格，在接近固體壁面處的流體區(qū)域對網(wǎng)格進行加密處理，網(wǎng)格數(shù)量約750萬。湍流模型選擇兩方程的標準k-ε模型，離散格式采用二階迎風格式。由于計算所涉及溫差較大、流體密度差較大，計算中考慮了重力加速度對流場的影響。endprint

2 瞬態(tài)邊界條件

第2章所述的物理模型中，對稱面采用對稱邊界條件、SG筒體及主給水接管嘴外壁采用絕熱邊界條件（電廠運行時，SG外側有保溫層，保溫層的熱損失與SG熱功率相比可以忽略），其余邊界條件均需根據(jù)瞬態(tài)工況的實際情況給出。

由于本文所涉及的瞬態(tài)邊界條件較為復雜，無法通過商用CFD軟件的常規(guī)邊界條件輸入方法進行輸入，本文的計算采用用戶自定義函數(shù)（User-Defined Functions，即UDF）方法，編寫自定義程序給定瞬態(tài)邊界條件。

UDF是商用CFD軟件Fluent自帶的用戶自定義接口，采用C語言編寫自定義函數(shù)，能夠產生依賴于時間，位移和流場變量相關的邊界條件。本文采用interpreted型的UDF進行計算。

本節(jié)以較典型的瞬態(tài)工況（汽機跳閘，反應堆停堆，第15s時主給水切換至輔助給水）為例，給出計算的瞬態(tài)邊界條件。

2.1 給水入口

給水入口采用流量入口邊界條件，流量及流體溫度變化見圖3、圖4。兩圖中120s以后的數(shù)據(jù)維持不變，故不再詳細繪出。圖3中歸一化流量為實際流量與額定功率流量的比值。

2.2 給水出口

給水出口采用壓力出口邊界條件，給水出口背壓變化見圖5。其中，零點代表額定功率時的出口背壓。

2.3 SG內部壁溫

SG二次側承壓殼體、主給水接管、防熱沖擊套管等固體區(qū)域的內側直接與SG內部流體接觸，對這些表面，根據(jù)SG內部流體溫度給定溫度邊界條件，見圖6。其中，零點代表額定功率時SG內部的溫度。

3 計算結果

圖7是主給水切換至輔助給水（第15s時切換）后在給水接管中心截面上不同時刻的溫度場分布云圖。可以明顯看出，主給水切換至輔助給水后，在給水接管內產生了較為明顯的冷熱分層現(xiàn)象。

進一步對計算數(shù)據(jù)進行處理，沿給水接管軸向，對每一截面的給水流體邊界壁溫進行下包絡，并將下包絡處理后的每一截面溫度按圖8中所示坐標（坐標原點為SG給水接管嘴端面）給出。

整理得到的不同時刻、不同截面的流體邊界壁溫曲線，見圖9。

可以看出，主給水切換至輔助給水后，流體邊界溫度隨時間推移而逐漸降低。在計算第100s時，流體邊界壁溫降至100℃～130℃；計算第400s時，流體邊界壁溫進一步降低，給水接管嘴端部溫度降至僅20度，而防熱沖擊套管端部以內的區(qū)域，壁溫仍維持較高溫度（約100℃）；從計算第400s至第1825s，流動已趨于穩(wěn)定，流體邊界壁溫梯度基本維持不變，溫度隨著SG內部溫度的降低而降低。

在流體邊界上，防熱沖擊套管端部圓角區(qū)域，均可以觀察到一個明顯的溫度梯度突變區(qū)。

4 結論

本文采用流固耦合的計算方法，利用商用計算流體力學進行計算分析，獲得了蒸汽發(fā)生器主給水接在瞬態(tài)工況下的溫度場分布情況。

從計算結果可以看出，瞬態(tài)工況下蒸汽發(fā)生器給水接管內溫度分布情況較為復雜：主給水切換至輔助給水后，在給水接管內產生了較為明顯的冷熱分層現(xiàn)象。且在流體邊界上，防熱沖擊套管端部圓角區(qū)域，存在一個明顯的溫度突變區(qū)。

顯然，某些工程采用的將輔助給水引入后給水接管嘴內部流體邊界統(tǒng)一設為較低溫度的做法過于簡單，不能代表實際情況。建議在進行主給水接管熱沖擊分析計算時，按本文的方法計算溫度場。

【參考文獻】

[1]John D Anderson.Computational Fluid Dynamics（中譯本）[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007.

[2]張建文，楊振亞，張政.流體流動與傳熱過程的數(shù)值模擬基礎與應用[M].北京：化學工業(yè)出版社，2009.endprint