稳压器波动管不同布置方式对热分层现象的影响

王大胜，刘 攀，王海军，乔守旭，黄炳臣

(1.深圳中广核工程设计有限公司，广东 深圳 518124；2.西安交通大学，陕西 西安 710049；3.环境保护部 核与辐射安全中心，北京 100082)



稳压器波动管不同布置方式对热分层现象的影响

王大胜1，刘 攀1，王海军2，乔守旭2，黄炳臣3,*

(1.深圳中广核工程设计有限公司，广东 深圳 518124；2.西安交通大学，陕西 西安 710049；3.环境保护部 核与辐射安全中心，北京 100082)

通过改变波动管的倾角建立了两种不同布置方式的波动管模型，采用计算流体力学(CFD)分析方法，分别对这两种模型的热分层现象进行数值模拟分析，比较不同流量下两种模型热分层现象的特点，并对两种模型热分层现象差异产生的原因进行分析。结果表明：两种模型热分层现象产生的位置和热分层覆盖范围不同，引起这些差异的原因主要是由于不同模型的波动管内流体流动不同。本研究能为优化波动管布置达到减弱热分层效应提供参考。

波动管；热分层；布置方式；数值模拟

稳压器波动管的热分层现象是由于稳压器中的冷却剂温度与主回路中的冷却剂温度不同导致的。稳压器中的冷却剂温度高，密度低，占据波动管截面的上部；主回路中的冷却剂温度低，密度高，占据波动管截面的下部；工程上将上述现象称为稳压器波动管热分层。波动管内的热分层现象会引起管壁温度分层，从而使波动管截面产生总体弯曲热应力和局部热应力，产生非预期的位移和支撑载荷。这一现象有可能对波动管的完整性构成威胁，对核电厂的正常运行产生安全隐患。因此，1988年美国核管会(NRC)发布公告88-08[1]和公告88-11[2]，要求所有的在役或在建核电厂必须对稳压器波动管热分层进行分析论证，确保其结构完整性。我国的国家核安全局也提出了相同要求。

国内对波动管热分层现象的研究起步较晚，研究成果相对较少。李澍等[3]采用Realizablek-ε模型对热分层进行了数值模拟；张毅雄等[4]对波动管热分层瞬态进行了分析，所建立的分析模型中未考虑主管道流速的影响；张力等[5]建立了考虑主管道流速的波动管模型，分析了波动管热分层现象与波动流速之间的关系。国外对波动管热分层现象基于实验研究的比较多，但研究方法鲜见文献。目前对如何改善波动管热分层效应的研究文献报道很少，文献[3]建议通过在波动管和保温层之间设置电加热器来提高底部壁温以减小温差，但难于实现。对于波动管的布置方式，大亚湾、岭澳等核电站的波动管均采用接近水平的布置方式，波动管的热分层现象相对比较明显；为了提高核电厂的安全性和寿命，在三代压水堆的设计中波动管的布置方式有所改变。

本文拟建立两种不同布置方式的波动管模型，即波动管水平布置和倾斜布置，并对两种方式的热分层现象进行数值模拟，分析对比两种布置方式下波动管热分层现象的特点，以期为优化波动管布置、达到减弱热分层效应提供理论依据和技术参考。

1 理论方法

1.1 物理模型

波动管布置模型如图1所示，其中图1a为水平布置模型，图1b为与主管道连接的波动管段带有一定倾角的模型，即倾斜布置模型。

图1 水平(a)和倾斜(b)布置模型Fig.1 Horizontal (a) and inclined (b) layout models

1.2 控制方程

1) 连续性方程：

(1)

2) 动量方程：

(2)

其中：p为静压；μ为动力黏度；ρg和F分别为重力和其他外部因素引起的体积力。

3) 能量方程：

(3)

式中：c为比热容；T为温度；k为流体的传热系数；ST为黏性耗散项[6]。

2 数值模拟

2.1 分析模型

计算采用标准k-ε湍流模型。其中对于包含浮升力的计算，动量方程需增加一个源项。该附加源项通常有两种计算方法，即全浮力模型和波斯纳斯克假设模型。波斯纳斯克假设模型对附加源项采取近似处理，只适用于温度变化不大的流场；全浮力模型根据实际密度直接对ρ-ρref进行评估来求解浮力。稳压器波动管由于冷热段温差较大，密度随温度的变化明显，因此采用全浮力模型。为了分析波动管不同布置方式下热分层现象的特性，分别选取3种流量进行计算研究。

2.2 边界条件

假设边界条件如下：波动管入口流量Ql，0.5、2和4 m3/h；波动管入口流体温度tPZR，237 ℃；主管道入口流量Qm，25 030 m3/h；主管道流体温度tHL，100 ℃；运行压力，3.2 MPa。出口边界条件：出口相对压力，0 MPa。

壁面边界条件：无滑移边界条件；水的物性参数随温度变化。

2.3 网格划分

采用结构化网格技术划分网格，两种波动管布置模型的网格形式均如图2所示，分别计算了20.1万、43.6万和67万3种数量的网格。图3为2 m3/h流量下监测点的温度随时间的变化，监测点位于波动管靠近水平段的第1个弯头处(图2中黑框位置)。计算结果表明：43.6万和67万两种网格的计算结果基本一致，与20.1万网格数量的计算结果差别较大。为节省计算资源，以下的分析计算均以43.6万网格进行。

图2 波动管网格划分Fig.2 Grid of surge line

图3 不同网格数量下监测点的温度随时间的变化Fig.3 Variation of temperature with time under different grid numbers

3 计算结果

通过对两种布置模型的计算结果进行分析，采用流场稳定后(流场温度分布不再随时间变化)的计算结果。

3.1 水平布置模型的热分层现象

水平布置模型在不同流量下的热分层，除波动管各截面温差不同外，热分层的分布形式较为类似，以2 m3/h流量下的热分层现象(图4)为例进行分析。可看出，水平布置模型的热分层基本覆盖了整个水平段部分，影响范围较大。

图4 2 m3/h流量下水平布置模型热分层现象Fig.4 Thermal stratification of horizontal layout model at 2 m3/h

沿波动管轴线(以波动管与主管道交界为起始位置)各截面的温差如图5所示。图中横坐标为沿波动管轴线的无量纲长度L/L0(长度起始位置为波动管与主管道交界面，L为距离起始位置的长度，L0为波动管总长度)，纵坐标为流体温差。由图5可看出，对于水平布置模型，随波动管流量的增大，热分层现象覆盖的波动管各截面的温差逐渐增大，高温流体更易穿透进入波动管热分层范围内，而主管道内冲入波动管的低温流体量变化不大；随波动管流量的增大，热分层覆盖范围变化不大。

图5 水平布置模型沿波动管轴线各截面的温差Fig.5 Cross-sectional temperature difference of horizontal layout model along surge line axis

3.2 倾斜布置模型的热分层现象

倾斜布置模型在不同流量下的热分层，除热分层发生位置和热分层覆盖范围有所不同外，热分层的分布形式较为类似，以2 m3/h流量下的热分层现象(图6)为例进行分析。与水平布置模型相比，倾斜布置模型也存在热分层现象，但热分层覆盖范围较水平模型的小很多。

图6 2 m3/h流量下倾斜布置模型热分层现象Fig.6 Thermal stratification of inclined layout model at 2 m3/h

对于倾斜布置模型，沿波动管轴线(以波动管与主管道交界为起始位置)获得的各截面的温差曲线能更好地反映不同流量下热分层现象的特点，如图7所示。可看出，随波动管流量的增大，倾斜布置模型的热分层发生的位置逐渐向主管道侧推进，即高温流体将推动由主管道冲入波动管的低温流体向主管道侧移动，这与水平布置模型的现象有所不同。

图7 倾斜布置模型沿波动管轴线各截面的温差Fig.7 Cross-sectional temperature difference of inclined layout model along surge line axis

3.3 两种布置模型的热分层现象差异分析

水平布置和倾斜布置波动管在2 m3/h流量下波动管内流体的流线如图8所示。

图8 不同布置模型波动管内的流线图 图8 Flow chart in surge line of different layouts

结果表明，水平布置模型(图8a)波动管内流体流线比较光顺，仅在靠近主管道部分出现流线的旋转，对于水平段，来自稳压器的热流体从波动管上方流向主管道方向，来自主管道的冷流体则从下方流向稳压器方向，冷热流体在波动管水平段内是分层流动的，即使波动管流量增大，热流体对冷流体的冲击作用也变化不大。因此水平布置模型的热分层的范围较大，但流量大小对热分层覆盖范围影响较小。

与水平布置模型波动管内流线相比，倾斜布置模型(图8b)波动管内的流线旋转情况比较显著；由于热流体的旋转流动和波动管带有一定的倾角阻止了冷流体进一步进入波动管，从而使热分层现象被限制在较小范围内，当波动管流量增大时，热分层覆盖范围向主管道侧移动。

3.4 数值模拟与试验结果验证

图9为2 m3/h流量下波动管倾斜布置模型的热分层数值模拟结果与模型试验结果的对比，图中横坐标为沿截面1圈的角度，纵坐标为无量纲温度(测点位置温度/试验最大温度)。从图9可知，波动管不同截面位置数值模拟结果与试验结果吻合较好，验证了本文数值模拟方法的可靠性。

图9 2 m3/h流量下数值模拟结果与试验结果比较Fig.9 Comparison between theoretical and experimental results at 2 m3/h

4 结论

研究了波动管布置方式改变对波动管热分层现象的影响。针对波动管水平布置和倾斜布置分别计算了3种流量下的热分层现象，比较了两种布置方式下热分层现象的特点，并对两种布置方式热分层现象产生差异的原因进行了分析，得到结论如下：

1) 水平布置方式的热分层覆盖范围较倾斜布置方式的大，且在整个热分层范围内温差变化较倾斜布置方式的小；

2) 随波动管流量的增大，水平布置方式的热分层发生的位置和覆盖范围变化不大，而倾斜布置方式的热分层向主管道侧移动。

3) 波动管两种布置方式热分层现象产生差异主要是由于波动管内流体流动不同导致的。

[1] NRC bulletin 88-08: Thermal stresses in piping connected to reactor coolant systems[S]. US: US NRC, 1988.

[2] NRC bulletin 88-11: Pressurizer surge line thermal stratification[S]. US: NRC, 1988.

[3] 李澍，曹小伟. 压水堆稳压器波动管热分层的分析研究[J]. 核动力工程，2009，30(6)：31-34.

LI Shu, CAO Xiaowei. Analysis of thermal stratification for pressurizer surge line[J]. Nuclear Power Engineering, 2009, 30(6): 31-34(in Chinese).

[4] 张毅雄，杨宇. 稳压器波动管热分层分析[J]. 核动力工程，2006，27(6)：13-17.

ZHANG Yixiong, YANG Yu. Thermal stratification study for pressurizer surge line[J]. Nuclear Power Engineering, 2006, 27(6): 13-17(in Chinese).

[5] 张力，赖建永，黄伟，等. 压水堆核电厂稳压器波动管热分层现象数值分析[J]. 核动力工程,2009，30(4)：91-95.

ZHANG Li, LAI Jianyong, HUANG Wei, et al. Numerical simulation for thermal stratification of PWR NPP pressurizer surge line[J]. Nuclear Power Engineering, 2009, 30(4): 91-95(in Chinese).

[6] 王福军. 计算流体动力学分析[M]. 北京：清华大学出版社，2004.

Effect on Thermal Stratification of Pressurizer Surge Line by Different Layouts

WANG Da-sheng1, LIU Pan1, WANG Hai-jun2,QIAO Shou-xu2, HUANG Bing-chen3,*

(1.ChinaNuclearPowerDesignCo.,Ltd.(Shenzhen),Shenzhen518124,China;2.Xi’anJiaotongUniversity,Xi’an710049,China;3.NuclearandRadiationSafetyCenter,MinistryofEnvironmentalProtection,Beijing100082,China)

Two different layout surge line models were established. Based on these two models, the thermal stratification was studied with numerical simulation using CFD respectively. Comparing the characteristics of thermal stratification between these two models under different mass flow rates, the reasons leading to different phenomena of thermal stratification for two models were analyzed. The results show that the location and range of thermal stratification are different due to different forms of fluid flow for two models. Meanwhile, the results can provide a reference for optimizing the surge line layout and weakening the thermal stratification effects.

surge line; thermal stratification; layout; numerical simulation

2014-03-25;

2014-05-14

王大胜(1986—)，男，河南桐柏人，工程师，硕士，从事核岛主设备力学分析研究

*通信作者：黄炳臣，E-mail: huangbingchen@126.com

TK124

A

1000-6931(2015)07-1232-05

10.7538/yzk.2015.49.07.1232