核电厂蒸汽发生器二次侧三维流场分析

张 盼，陆道纲，张春明，马忠英

（1.华北电力大学，北京 102206；2.环境保护部核与辐射安全中心，北京 100082）

21世纪初，受能源危机的影响，核能因其经济性和安全性受到世界各国的广泛关注，核工业迅猛发展。然而，在福岛事故发生之后，国际社会对核设施的安全性和可靠性提出了更为严格的要求［1］。而核电厂的安全性与回路中的热工水力学特性有着密切的联系。蒸汽发生器是回路中的核心设备，其传热管是反应堆冷却剂压力边界的主要组成部分［2］。所以，它的稳定性与核电厂的安全性有着密切的联系。我国核电发展的策略是引进、消化和吸收AP1000［3］技术，并在此基础上开发自主的CAP1400技术，由于功率的提升，必然需要增大蒸汽发生器的体积，但体积增大后蒸汽发生器内部的流动特性必然会改变，这样会影响其稳定性。因此，研究蒸汽发生器内部的流动特性及传热机理，对提高核电厂的安全性有十分重要的意义。

经文献调研发现，对蒸汽发生器的研究主要集中在蒸汽发生器的水位控制、传热管腐蚀和系统故障诊断与检测等方面，在少数几篇公开发表的关于蒸汽发生器流动和传热特性研究方面的文章中，主要采用多孔介质模型进行单相和两相三维流场分析，并利用matlab、ralap 5等仿真软件进行蒸汽发生器在不同工况下的稳态换热性能计算［4-10］。

本文以美国西屋公司研究设计的AP1000核电厂为例［12］，针对蒸汽发生器的结构特点，对包括U型管束在内的流域进行整体的简化建模，并根据蒸汽发生器稳态运行工况，为建好的几何模型定义物理模型及边界条件，得到蒸汽发生器内部的二次侧流场分布特性，并对比非均匀给水工况（以下简称工况1）和均匀给水工况（以下简称工况2）两种工况，分析得出给水方式对二次侧流场的影响。

1 计算的几何模型与边界条件

1.1 计算几何模型

蒸汽发生器的结构十分复杂，它主要由管板、管束、管束套筒、上封头、下封头、上筒体、下筒体和汽水分离器等组成。而本文主要研究蒸汽发生器二次侧管束区的流动和传热特性，因此建立的几何模型选取的是管板上部到汽水分离器下部的热交换区域。

图1是针对蒸汽发生器二次侧热交换区域建立的几何模型。几何模型不考虑管束套筒和下筒体之间的下降段，因此二次侧冷却剂的入口为管板与管束套筒之间的间隙。图中是几何模型的外部视图，图中包括管束套筒、管板、管束、二次侧出口和管板与管束套筒的间隙（二次侧冷却剂入口）。图中模型的主要结构为U型管束。几何模型是在实际结构的基础上增大了U型管直径，其他尺寸与实际结构尺寸相同，尺寸参数见表1。

表1 模型几何参数Table 1 Model geometrical parameters

图1 简化模型的整体结构图Fig.1 Integral structure of the simplified model

1.2 边界条件

本文主要研究蒸汽发生器二次侧的流动及传热特性，并针对AP1000蒸汽发生器的均匀给水方式和M310蒸汽发生器非均匀（4：1）给水方式进行对比研究。

表2 边界条件Table 2 Boundary condition

由于几何模型进行了简化，为了使该模型与原结构有相似的对流传热现象，需保证努塞尔数相等，要使努塞尔数相等就要使雷诺数相等，而雷诺数由于动力粘度不变，管径D增大20.48倍，所以二次侧冷却剂流速V要减小20.48倍。U型管管壁采用第一类边界条件，直管段温度参照文献［11］和蒸汽发生器的运行参数，拟合成沿垂直高度Z方向的线性分布函数，而弯管的热流密度变化不大，采用定温边界。边界条件见表2。

2 结果与讨论

选取几个有代表性的截面进行分析研究，各截面的相对位置如图2所示，图中数字1～4代表各个截面。截面1到截面3分别是沿垂直方向（Z方向）不同高度上的横截面，它们到管板的垂直高度分别为2 m、8.5 m和11.8 m。截面4是沿流动方向所截的纵向剖面。为了避开U型换热管，得到一个能够完整表述纵向流动情况的截面，以便更清楚地研究沿纵向的流动变化情况，截面4与纵向对称剖面间的距离为0.441 m（即y=0.441平面）。

图2 截面相对位置示意图Fig.2 Schematic diagram of section relative position

2.1 含汽率（空泡份额）沿垂直高度的分布特性

图3和图4分别是工况1和工况2两种工况下纵向剖面上空泡份额的分布特性，此纵向剖面为Y=0.441 m的XZ平面，X的正负方向分别对应U型传热管的热侧和冷侧，Z方向为主流方向。通过此平面可以显示二次侧流体从入口到出口过程中空泡份额的变化情况。

在图3中，左侧为U型管的冷腿侧，右侧为U型管的热腿侧，底部深色区域为单相水，冷侧水的沸腾起始点要明显高于热侧，这是因为热侧的对流换热系数要高于冷侧，热量交换大。在直管段区域，可以看到在同一高度时，冷侧空泡份额要明显低于热侧，到了弯管区，流体从顺流圆管变为横掠圆管，流体的扰动加强，使流体的传热强化，空泡份额变化梯度要高于直管区。而且，流体经过弯管区之后，由于强烈的搅混，左右两侧的空泡份额基本均匀分布。

在图4中，左侧为U型管的冷腿侧，右侧为U型管的热腿侧，底部深色区域为单相水，冷侧水的沸腾起始点要高于热侧，这是因为冷侧和热侧的流速相等，对流换热系数相等，而热侧壁温要高于冷侧，热量交换也就大于冷侧，沸腾开始得早。同样，在直管段区域，同一高度时的冷侧空泡份额要低于热侧，但两侧差值要小于工况1。到了弯管区，流体从顺流圆管变为横掠圆管，流体的扰动加强，使流体的传热强化。由于强烈的搅混，左右两侧的空泡份额基本均匀分布。

图3 工况1下纵向剖面上空泡份额的分布情况Fig.3 Volume fraction distribution on lengthways profile in condition 1

图4 工况2下纵向剖面上空泡份额的分布情况Fig.4 Volume fraction distribution on lengthways profile in condition 2

2.2 垂直高度上不同横截面的流场分布特性

图5和图6分别是工况1和工况2两种工况下，垂直高度Z=2平面上空泡份额的分布云图。在两图中，左侧均是传热管冷侧，右侧均是传热管热侧，可以看出两种工况下热侧的空泡份额均要高于冷侧，且分布的趋势比较一致，右侧边缘处的空泡份额高，左侧边缘处的空泡份额低。然而在工况1下，两侧的空泡份额相差较大，工况2下两侧的空泡份额差值较小。图7是两种工况下，截面1上空泡份额的面积加权平均值沿X方向（正向代表热侧，负向代表冷侧）的分布情况，从图中可以看出空泡份额在冷热两侧的分布趋势。从图中也可以看出，两种工况下空泡份额均是热侧高于冷侧，只是工况1下空泡份额沿X轴方向的梯度大。在截面1处，工况1下空泡份额的平均值要明显高于工况2。

图8是工况1和工况2两种工况下，垂直高度Z=2平面上流体流动速度的面积加权平均值沿X方向的分布情况。从图中可以看出，两种工况下速度从左到右的变化趋势是一致的，尤其是在冷侧。但在工况1下，从左到右速度变化率很大，而工况2则过渡的比较平缓。工况1下，热侧的平均速度要远高于冷侧，而工况2下，冷热两侧的平均速度几乎相等，热侧的速度略高于冷侧。

图5 工况1下截面1上空泡份额分布云图Fig.5 Volume fraction distribution on section 1 in condition 1

图6 工况2下截面1上空泡份额分布云图Fig.6 Volume fraction distribution on section 1 in condition 2

图7 工况1和工况2下截面1上空泡份额沿X方向的分布曲线Fig.7 Volume fraction distribution curve in X direction on section 1 in condition 1 and 2

图8 工况1和工况2下截面1上流体流动速度沿X方向的分布曲线Fig.8 Velocity distribution curve in X direction on section 1 in condition 1 and 2

图9是两种工况下，垂直高度Z=8.5平面上流体流速的面积加权平均值沿X方向的分布情况。此图主要是为了对比图8和图13，研究垂直高度上两侧流体主流方向上速度的变化规律。研究发现，在直管区、工况1下，热侧速度要明显高于冷侧，经过弯管区后，流体扰动较大，速度重新分配，基本呈对称分布；在直管区、工况2下，冷热两侧速度基本对称，热侧要略高于冷侧，经过弯管区后，速度重新分配，与工况1下的速度分布趋势一致。

图9 工况1和工况2下截面2上速度沿X方向的分布曲线Fig.9 Velocity distribution curve in X direction on section 2 in condition 1 and 2

图10和图11分别是工况1和工况2下，垂直高度Z=11.8平面上空泡份额的分布云图。此截面的位置略高于传热管弯管顶部，研究此平面的空泡份额分布特性对改进和提高汽水分离器的效率有重要的意义。在两图中，左侧均是传热管冷侧，右侧均是传热管热侧。从两图中可以看出，两种工况下空泡份额的变化趋势有一定的相似性，冷热两侧空泡份额分布比较均匀，且两种工况下空泡份额的平均值基本一致。图12是两种给水工况下，截面3上空泡份额的面积加权平均值沿X方向的分布情况，图中可以看出空泡份额在冷热两侧的分布情况。在截面3处，工况1下空泡份额的平均值为0.817，热侧空泡份额略高于冷侧，而工况2下空泡份额的平均值为0.808，也是热侧略高于冷侧。目前运行核电厂的蒸汽发生器的循环倍率在3到4之间，一般为3.6，折合成空泡份额约为0.8，因此计算结果与实际情况比较吻合。

图10 工况1下截面3上空泡份额分布云图Fig.10 Volume fraction distribution on section 3 in condition 1

图11 工况2下截面3上空泡份额分布云图Fig.11 Volume fraction distribution on section 3 in condition 2

图12 工况1和工况2下截面3上空泡份额沿X方向的分布曲线Fig.12 Volume fraction distribution curve in X direction on section 3 in condition 1 and 2

图13 工况1和工况2下截面3上流体流动速度沿X方向的分布曲线Fig.13 Velocity distribution curve in X direction on section 3 in condition 1 and 2

图13是两种工况下截面3上流体流动速度的面积加权平均值沿X方向的分布情况。从图中可以看出，两种工况下速度沿X轴分布的变化趋势十分的相似，基本上冷热两侧呈对称分布，并且在中心区域流体速度高。在截面3处，速度沿X轴方向的分布与截面1、2上速度的分布差异比较大，可能是由于截面3所在的位置没有管束存在，且流体在流经传热管弯管区时搅动大，速度重新分配导致。

3 结 论

本文针对目前主流核电厂的蒸汽发生器进行简化建模，研究蒸汽发生器二次侧的流场特性，并着重分析比较了二次侧给水比例对二次侧流场的影响，得出以下结论：

（1）均匀给水和非均匀给水两种方式对二次侧传热量和出口空泡份额分布的均匀性几乎无影响。

（2）在弯管区，由于热交换十分强烈，导致流场扰动十分剧烈，因此要重视其固定方式和布置方式，避免流致振动的危害。

（3）均匀给水方式下，主流方向流体流动速度呈对称分布，但直管区两侧之间的横向流动比非均匀给水方式下的要强烈，应注意流固耦合的影响。同时，优化的给水比例能减少流体的横向流动。

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