非能動余熱排出熱交換器流動傳熱分析與驗證

蔣 興，張 偉，祖洪彪 ，戈 劍

(1.上海核工程研究設計院有限公司，上海 200233；2.西安交通大學，陜西 西安 710049)

非能動余熱排出熱交換器(PRHR HX)是第三代非能動核電廠中非能動堆芯冷卻系統的一個重要設備，其功能是在瞬態、事故或任何正常熱量排出路徑喪失時利用自然循環流動帶走堆芯衰變熱。PRHR HX布置在安全殼內換料水箱(IRWST)內，IRWST是熱交換器的熱阱。

非能動排出熱交換器傳熱管數目巨大，不適合直接建模。目前，PRHR HX的數值模擬主要是通過減少傳熱管數目來實現，如Strohecker[1]，針對AP600試驗臺架APEX，選取四根傳熱管，分別對單相對流與過冷沸騰階段進行了研究；薛若軍等[2]以AP1000 PRHR HX傳熱管為研究對象，通過模型簡化對其進行了瞬態特性的模擬。當前多孔介質模型已應用到同樣復雜結構的管殼式換熱器中，Prithiviraj與Andrews[3,4]基于多孔介質模型研究了管殼式換熱器的流動換熱特性；Bokil與Zhang等[5,6]對冷凝器內的冷凝現象進行了準三維模擬；叢騰龍等[7]對蒸汽發生器二次側三維兩相流場進行了穩態分析；劉俊強等進行了套管管束式熱交換器的阻力特性研究[11]；解衡等采用多孔介質的方法對于管殼式換熱器流場進行了三維模擬[12]。本文針對IRWST溫升試驗進行了三維流動和換熱分析，共計算了自然循環和強迫循環兩個PRHR試驗工況，兩個計算工況均采用同一個結構模型，整個計算區域包括了PRHR傳熱管束在內的整個IRWST流體區域，獲得了計算區域內的流場和溫度場的三維分布情況。PRHR熱態性能試驗的過程中，IRWST內水溫逐漸升高，試驗中為了監測IRWST內各個位置的升溫過程，在不同區域布置了大量的溫度傳感器。最后將計算結果與試驗監測點的溫度檢測值進行了對比，結果吻合較好，為熱態調試提供了重要的技術支持。

1 物理模型

1.1 傳熱模型

PRHR HX一、二次側傳熱模型。在PRHR HX的換熱過程中，主要分為管內單相強制對流換熱、管壁導熱和管外自然對流換熱。

對于管內一次側強制對流換熱，其換熱系數采用Dittus-Boelter公式計算得到：

(1)

式中：Re——Reynold數；

Pr——Prandtl數：

k——流體導熱系數；

di——為傳熱管內徑。

PRHR HX管外自然對流換熱主要分為水平管束區管外自然對流換熱和豎直管束區管外自然對流換熱，均采用Churchill&Chu關系式計算：

對于豎直管束區，管外自然對流換熱關系式為：

(2)

對于水平管束區，管外自然對流換熱關系式為：

(3)

式中：Nu——努塞爾數；

Ra——瑞利數；

Pr——普朗特數。

1.2 多孔介質模型

計算多孔介質區域動量方程中的添加項，獲得C型管束不同位置處的阻力特性。流體流經管束區主要分為兩種情況，即橫掠管束和順流管束。

順流管束時的動量方程源項[8]為：

(4)

對于流體橫掠管束的情況，在三維直角坐標系中，橫掠速度在與管束垂直的平面內分解為兩個分量，設為u和w。對于速度分量u。流體橫掠管束時動量方程中的源項[9]為：

(5)

1.3 兩相流模型

采用漂移流模型求解兩相流動問題。該模型假設相間局部熱平衡，同時可以考慮相間滑移速度。

空泡份額方程：

(6)

質量加權速度：

(7)

混合物密度：

ρm=αgρg+(1-αg)ρ1

(8)

混合物黏度：

μm=αgμg+(1-αg)μl

(9)

2 計算輸入

2.1 幾何模型

計算模型為包括PRHR HX在內的IRWST內的三維流體區域。強迫循環和自然循環兩個工況的IRWST溫升試驗流動和傳熱分析采用相同的計算模型和網格劃分模型。計算中將IRWST內的計算區域進行了簡化處理，忽略了IRWST中除PRHR HX以外的一些設備裝置，如鼓泡器和溫度壓力傳感器的固定裝置等。由于這些設備和裝置所占的區域要遠小于計算區域，因此并不會對溫度場和流場的計算結果產生大的影響。IRWST計算模型和網格劃分如圖1所示[10]，PRHR HX在IRWST中位置如圖2所示。

圖1 IRWST計算模型和網格劃分圖Fig.1 The model and meshing of IRWST

圖2 PRHR HX在IRWST中所處位置圖Fig.2 Location of the PRHR HX in the IRWST

2.2 流體物性

受到PRHR的加熱，IRWST內的流體由于受熱不均而產生密度差，密度不同的流體受重力作用進而在IRWST內發生自然對流。在計算的瞬態中，流體的物性隨溫度變動，因此流體物性定義成隨溫度變化。

在強迫循環和自然循環兩種工況的計算模擬中，施加了浮力的影響，重力加速度設置為9.81 m/s2，方向為沿IRWST的垂直向下的方向。計算中，參考溫度設置為288.16 K，參考壓力為101 325 Pa。由于流體屬性在相同壓力下僅隨溫度變化，因此參考壓力對結果沒有影響。

2.3 邊界和初始條件

受到PRHR的加熱，IRWST內的流體由于受熱不均而產生密度差，密度不同的流體受重力作用進而在IRWST內發生自然對流。在計算的瞬態中，流體的物性隨溫度變動，因此流體物性定義成隨溫度變化。

在強迫循環和自然循環兩種工況的計算模擬中，施加了浮力的影響，重力加速度設置為9.81 m/s2，方向為沿IRWST的垂直向下的方向。計算中，參考溫度設置為288.16 K，參考壓力為101 325 Pa。由于流體屬性在相同壓力下僅隨溫度變化，因此參考壓力對結果沒有影響。

溫度變化瞬態的邊界條件定義如下：

IRWST四周和底部：無滑移光滑壁面，交界面無熱流量交換。

IRWST上部流體與空氣接觸面：自由液面。

PRHR進口：強迫循環和自然循環兩個工況下質量流量和溫度隨時間變化如圖3所示。

初始條件：IRWST內流體初始溫度為28 ℃，流速為0。

邊界條件設置示意圖如圖4所示。

圖3 自然循環下PRHR HX進口溫度流量變化圖Fig.3 Temperature and flow rate under natural circulation

圖4 邊界條件設置示意圖Fig.4 Setting of the boundary condition

3 分析結果及試驗對比

在瞬態初期，管束區域流體的溫度迅速升高，而IRWST內其他位置的流體溫度基本維持不變。隨著時間的推移，IRWST內流體的升溫自管束區域由近至遠、由上至下緩慢擴展至整個IRWST區域。由此充分反映了IRWST內流體溫度升高的整個過程。各瞬態時刻下IRWST水箱內溫度分布如圖5所示。

圖5 各瞬態時刻下IRWST水箱內溫度分布圖Fig.5 Temperature distribution of the IRWST under various transient conditions

在試驗中，為了監測IRWST內各個位置的升溫過程，在不同區域布置了大量的溫度傳感器。因此根據IRWST溫升試驗中溫度監控點的位置，瞬態計算的過程中，選取其中一些典型的位置，在IRWST平面和垂直方向上共布置了36個溫度監控點，以監控各個溫度測點的溫度隨時間變化過程?，F選取幾個關鍵點將分析結果與試驗測量溫度結果進行對比如圖6所示。

圖6 分析結果與試驗測量溫度對比圖Fig.6 Comparison of analysis results with test temperatures

4 結論

本文針對IRWST升溫過程進行PRHR HX自然循環下的兩相流動分析，通過分析分別獲得了IRWST升溫過程中IRWST內各個監測點流體溫度隨時間的變化過程，得到以下結論：

(1)采用多孔介質模型的方法可實現內置換料水箱內的三維熱工水力模擬計算，為非能動余熱排出熱交換器的設備設計提供依據。

(2)通過PRHR HX三維流動傳熱的分析結果與現場試驗數據的對比可以看出，各監測點溫度變化的趨勢一致，尤其對于處于IRWST中下部的監測點，兩者的溫度值吻合較好。

(3)隨著時間的推進，安全殼內置換料水箱內發生的熱分層現象越來越明顯，明顯的熱分層現象反過來會限制水箱內水的自然對流。