水分配围堰的水膜流动特性数值模拟

潘新新，宋春景，邱 健

(上海核工程研究设计院，上海200233)

水分配围堰的水膜流动特性数值模拟

潘新新，宋春景，邱 健

(上海核工程研究设计院，上海200233)

设置一定数量的水分配围堰V型出水口可保证安全壳外壁的水膜覆盖率，有助于事故后壳内热量排出。本文探讨了一种适用于水膜流动特性的CFD分析方法，该方法经理论及试验验证，具有较高的精度。研究得到：随着单V型出水口入口流量增大，水膜稳定宽度线性增长，平均水膜厚度变化不大；V型出水口角度对水膜稳定宽度及水膜厚度不敏感；工程上可合理选择出水口的数量以使系统最优化。

围堰；V型出水口；水膜；稳定宽度；厚度

大型先进非能动核电站CAP1400事故后通过高位水箱重力洒水至安全壳实现热量排出功能。为保证事故后有足够的安全壳冷却能力，采用水分配系统尽可能抵消安全壳制造和建造误差对流量分配和表面润湿性的不利影响，从而提高安全壳外壁水膜的均匀性以及水膜覆盖率。水分配系统通常由分水斗和围堰两种形式组成[1]。分水斗和围堰的示意图见图1。

图1 分水斗和围堰的示意图Fig.1 Water bucket and weir schematic(a) 分水斗;(b) 围堰

分水斗悬挂在屏蔽厂房屋顶的安全壳顶封头中心正上方，侧壁均匀开槽，事故后高位水箱的非能动安全壳冷却水重力洒水至分水斗将水均匀地分配到安全壳顶封头的不同区域。为减小安全壳顶封头上两道环焊缝对水膜分布的影响，在两道环焊缝下方分别安装了一道环形围堰，以收集上游的冷却水并再次进行水分配。由于第二道围堰下方安全壳顶封头壁面越来越陡峭，第二道围堰以下直至整个安全壳筒体都不再设置水分配设施。

因此，围堰的结构形式直接决定了安全壳外壁面绝大部分面积的水膜覆盖情况，可以设置一定数量的围堰V型出水口保证安全壳外壁的水膜覆盖率。

针对水膜流动特性，目前国内外尚没有比较成熟的理论。CAP1400通过开展原型水分配试验，研究了安全壳外壁的水膜覆盖规律，但试验研究也存在经济性较差、研究周期长、台架改造难等问题。本文结合已有的理论分析以及试验研究，探讨了一种适用了水膜流动特性的CFD分析方法，并针对围堰单个V型出水口进行计算，考察了不同V型出水口角度以及不同流量下的水膜覆盖规律，为设计提供了新的思路。

1 分析方法研究

应用CFD方法分析安全壳外壁面的水膜流动，需要解决水膜厚度薄、水膜覆盖范围大等因素对计算时间和分析精度的影响。本文采用简化模型，应用Star CCM+软件仅针对CAP1400下围堰的一个V型出水口及其下游排水空间进行分析。

1) 几何建模

以CAP1400下围堰单V型槽为分析对象，建立计算域如图2所示。

图2 单V型出水口模型示意图Fig.2 Single V-notch outlet schematic

2) 网格划分

采用纯六面体网格，经无关性分析，网格总数为75万，如图3所示。

图3 模型网格Fig.3 Model mesh

3) 模型设置

采用三维非稳态、VOF(自由界面)[2]、层流、重力、表面张力等模型，并根据安全壳壁面涂层特性设置接触角等参数。以下重点介绍VOF模型以及表面张力模型的设置。

VOF模型可以求解多相之间有明显界面且不考虑相间分子扩散的问题，如气液完全分离流场、比网格尺寸大的气泡运动、树脂流动、射流、油箱晃动、毛细管现象等。因此，VOF模型适用于水膜流动特性的模拟。基本控制方程见式(1)～式(3)[2，3]：

(1)

(2)

(3)

采用HRIC差分格式[3]求解VOF模型中体积分率，可减小对流项的数值误差从而能够精确捕捉相间界面。一般的中心差分格式(CD)以及迎风格式(UD)数值扩散大，很难精确捕捉界面。

表面张力表征液体表面层由于分子引力不均衡而产生的作用力，从而影响液体流动。表面张力的大小与温度及两相物性有关。满足式(4)，式(5)的条件下，需要设置表面张力模型，将表面张力添加到动量方程中[3]。

(4)

(5)

式中：Ca为毛细数；We为韦伯数；Re为雷诺数；μ为动力黏度系数；U为速度；σ为表面张力系数；L为特征尺寸。

表面张力根据VOF界面梯度及曲率进行计算，表面张力由切向力fσ,t与法向力fσ,n组成，当不考虑表面张力系数随时间的变化时，法向力为0。

(6)

(7)

式中：i为x、y、z三个方向。

采用表面张力模型时需设定壁面接触角。若接触角小于90°，为亲水性表面，若接触角大于90°，为憎水性表面。CAP1400安全壳壁面采用无机锌涂层，涂层经过环境的老化，会生成氧化锌，由于氧化锌为极性分子，有利于提高表面和液滴之间的分子力，进而有利于涂层润湿性的提高[4]。壁面接触角通常30°左右。

4) 初始状态设置

储水结构底部设置为冷却水流入口，除安全壳壁面外的其他界面设置为压力出口。模型初始状态通过给定储水结构水位的方式缩短计算时间，不模拟储水结构从初始充水到水位平衡的过程。给定水位H根据式(8)[5]进行计算：

(8)

式中：Q为V型出水口入口流量，m3/s；C为流量系数，通常为0.6[6]；g为重力加速度，9.8m/s2；θ为V型出水口夹角，°。

给定水位的方式具有较高的精度，经理论值与模拟值比较，计算结果相差不到2mm，详见表1。

表1 理论水位与模拟水位比较

2 结果分析与讨论

根据上述分析方法，开展不同流量、不同V型出水口入口角度的水膜流动特性分析，研究结果如下：

1) 冷却水流量

以CAP1400下围堰的单个V型出水口进行分析，V型出水口角度为7.5°，V型出水口入口流量分别为0.04m3/h、0.066m3/h、0.075m3/h、0.2m3/h。不同流量在2s时刻的水膜分布情况如图4所示。流量较低时，冷却水贴着壁面流到安全壳壁面上，当流量增大，冷却水弧状跳落到安全壳壁面，流量越大，弧度越大。流量0.04m3/h时，水膜流速低，安全壳壁面上的水膜发展十分缓慢；流量增大到0.066～0.075m3/h时，水膜覆盖面积及水膜稳定宽度均有一定程度的增长，当流量达到0.2m3/h时，安全壳壁面水膜快速覆盖。

图4 V型出水口7.5°水膜分布图(2s)Fig.4 Water film distribution of 7.5°V-notch outlet(2s)(a) 0.04m3/h;(b) 0.066m3/h;(c) 0.075m3/h;(d) 0.2m3/h

不同流量的安全壳壁面水膜分布以2s时刻为基准进行对比，该时刻不同流量的安全壳外壁水膜均能达到较稳定的流动状态。图5给出V型出水口正下方300mm处水膜稳定宽度与流量的变化关系，随着流量增加，水膜稳定宽度呈线性增加趋势。流量为0.075m3/h时，水膜稳定宽度为155mm；流量0.2m3/h时，水膜稳定宽度为319mm。模拟结果与CAP1400PCS水膜冷态试验的试验结果基本一致，最大误差不超过6%。

图5 V型出水口7.5°水膜稳定宽度Fig.5 Steady water width of 7.5°V-notch outlet

稳定时刻安全壳壁面水膜厚度分布如图6所示。根据水膜厚度，可以清晰地观察到水膜成股状流动，局部水膜厚度较厚，当水膜厚度极低时，水膜则易发生破裂，形成不连续的流动形态。平均水膜厚度随流量变化不大，计算值与理论值基本一致，流量0.2m3/h的偏差最大，约9.2%，详见图7。平均水膜厚度δ的理论值采用式(9)[7]进行计算。

(9)

式中：q为水膜流率，m2/s；ν为运动黏度系数，m2/s；β为壁面与水平面倾角，°。

图6 稳定水膜厚度分布图Fig.6 Steady water film thickness distribution

图7 平均水膜厚度比较Fig.7 Average water film thickness

2)V型出水口角度

考察不同V型出水口角度对水膜流动特性的敏感性。以V型出水口入口流量0.075m3/h为例，V型出水口角度分别为7.5°、15°、20°、30°。冷却水从V型出水口入口流到安全壳壁面，经过2s的水膜发展，总体水膜覆盖率差异不大。图8给出了角度变化引起的水膜稳定参数的比较。随V型出水口角度的增加，水膜稳定宽度以及水膜厚度基本稳定不变，V型出水口角度的敏感性很小。

图8 水膜稳定参数随夹角变化规律Fig.8 Steady water film parameters v.s angle

3 结论

本文应用CFD分析方法研究核电厂非能动安全壳冷却系统水分配装置单V型出水口的水膜流动特性，分析方法经过理论及试验的验证，具有较高的精度。根据分析预测，V型出水口角度对水膜流动特性的影响不敏感，V型出水口入口流量直接影响下游的水膜分布形式。因此，工程设计上，可结合入口流量和下游水膜覆盖情况合理设置出水口的数量，从而使系统设计最优化。

[1] 孙汉虹.第三代核电站技术APl000[M].北京：中国电力出版社，2010.

[2]HirtCW，NicholsBD.Volumeoffluid(VOF)methodforthedynamicsoffreeboundaries[J]，CompPhys，1981，39：201-225.

[3]UserGuide[M]，StarCCM+version8.02，CD-adapco，2013.

[4] 刘晓强，徐雪莲，孟凡江，等.非能动核电站安全壳涂层的设计与可靠性分析[J].涂料工业，2015，4：74-78.

[5]HowardS.Bean，FluidMeters-TheirTheoryandApplication-ReportofASMEResearchCommitteeonFluidMeters[M]，SixthEdition，1971，TheAmericanSocietyofMechanicalEngineers.

[6] 蔡增基.流体力学泵与风机[M].第5版.北京：中国建筑工业出版社，2009.

[7]S.V.，Nakoryakov，V.E.，Pokusaev，Instabilityofaliquidfilmmovingundertheeffectofgravityandgasflow[J]，HeatMassTransfer. 1995 2127-2134.

Simulation Research on Water Film Flow Characteristic of Water Distribution Weirs

PAN Xin-xin，SONG Chun-jing，QIU Jian

(Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute，Shanghai，200233)

A number of V-notch outlets are used for water distribution weirs to assure that the water coverage on outside surface of containment is sufficient to remove the heat from containment inside. The CFD method applicable for the water film flow characteristic is proposed，and validated with theory and water film tests. This method has high accuracy. In this research，the following characteristic is obtained. With the inlet flow rate of single V-notch outlet increasing，the water film steady width is increasing linearly and the water film thickness varies very little. The angle of V-shape outlet is not sensitive for the parameters above. So the amount of outlets can be selected to achieve the best system design.

Weir；V-notch outlet；Water film；Steady width；Thickness

2015-10-19；

2016-02-04

国家重大科技专项项目(2011ZX06002-001)

潘新新(1981—)，男，辽宁大连人，高级工程师，工学博士，现从事工艺系统设计研究

TL364.2

A

0258-0918(2016)04-0482-05