环境风对大型非能动核电厂风的中立特性影响的数值分析研究

潘新新，黄镜宇，向文娟，宋春景（上海核工程研究设计院，上海　200233）



环境风对大型非能动核电厂风的中立特性影响的数值分析研究

潘新新，黄镜宇，向文娟，宋春景
（上海核工程研究设计院，上海200233）

摘要：在发生CAP1400非能动核电厂事故1个月后，仅通过非能动空气流道可实现安全壳的冷却。设计上，要求空气流道的气动特性尽可能不受外界环境风的影响。本文应用STAR-CCM+软件对大型先进非能动核电厂CAP1400实际1∶1模型进行计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）分析，研究环境风速、风向、温度等因素对空气流动特性的影响，分析结果表明CAP1400具有风的中立特性。

关键词：环境风；空气流道；风向中立

大型非能动核电厂CAP1400在事故发生1个月后仅可以利用壳外的非能动安全壳冷却系统（Passive Containment Cooling System，简称PCS）空气流道内的自然循环实现堆芯的长期冷却。空气流道位于安全壳和屏蔽厂房之间，空气自然循环过程如下［1］：来自环境的空气通过空气流道的百叶窗进入，经过入口格栅、导流板与屏蔽厂房之间的下降段，拐过底部180°导流叶片，沿着安全壳外表面和导流板之间的上升段上升，穿过上环腔过渡段、排气口入口以及排气口出口，返回到环境中。各组件详见图1所示。设计上，应尽可能使空气流道的流动特性不受屏蔽厂房外环境风的影响，在不同环境风条件下均能保证空气流道上升段空气流速尽量均匀，流动方向尽可能一致，从而一方面使得导流板受力尽可能均匀，避免局部出现大的载荷；另一方面，也更有利于带走堆内热量。该特性称之为风的中立特性。

本文应用STAR-CCM+软件［2］对大型先进非能动核电厂CAP1400实际1∶1模型进行计算流体力学（CFD）模拟分析，研究环境不同风速、风向、温度等因素对空气流道内流动特性的影响，进而评价CAP1400非能动安全壳冷却系统空气流道的风的中立特性。

图1　PCS空气流道示意图Fig.1 PCS air flow path schematic

1　数值方法

1.1几何模型

由于CAP1400屏蔽厂房和安全壳结构基本对称，因此建立180°几何模型即可（如图2所示）。考虑到屏蔽厂房直径约为48 m，高度约为76 m，为了使安全壳外侧形成充分发展的流场，在半圆周安全壳模型的外侧建立320 m×80 m× 300 m（长×宽×高）的环境流场计算域［3-5］，整个外环境流场计算模型如图3所示。左侧为速度入流边界，右侧为压力出流边界，安全壳的百叶窗及排气口出口设置为内部边界，中间剖面设置为对称边界，其他边界设置为壁面。空气从左侧流入，右侧流出，外部环境的空气可通过百叶窗和排气口自由流进与流出。

图2　空气流道模型Fig.2 Air flow path model

图3　外流场模型Fig.3 Outer flow field model

1.2网格划分

针对整体CAP1400模型进行三维定常计算，选取Realizable k-epsilon湍流模型［6-8］以及Two-Layer All y+Wall Treatment边界层设置［2］，对于空气流道模型和外部流场计算域采取不同的网格模型［9-10］，经网格无关性验证，空气流道模型约1 033万多面体网格，外部流场计算域约390万剪裁体网格，如图4所示。

图4　网格示意图Fig.4 Mesh schematic

1.3多孔介质

空气流道中格栅和滤网为多孔网板结构，属于简单多孔介质。格栅和滤网如果按照实际几何建模，网格数必然巨大，目前计算机根本无法承受。为降低建模难度以及节省计算机资源，软件中格栅/滤网结构选用可以模拟多孔网板阻力特性的多孔介质模型［2］。多孔介质设置参数（粘性阻力系数、惯性阻力系数）通过单独提取格栅结构建模计算得出，并经过试验验证［11］。各格栅/滤网结构的计算参数见表1。

表1　多孔介质参数Table 1 Porous media parameters

1.4方法验证

以AP600风洞试验原型进行建模计算，计算中采用了几何对称模型和湍流计算模型等，计算流体力学的分析结果与试验结果［12］基本一致，由于CAP1400屏蔽厂房和安全壳结构形式与AP600基本类似，主要差别是结构尺度有所增大，但外部环境条件及物理现象都是一致的。因此，通过AP600风洞试验的计算流体力学验证可以说明应用STAR CCM+软件模拟分析同类型核电厂空气流道风的中立特性的可行性。图5为分析得到的AP600风洞模型中剖面速度分布［13］。

图5　速度分布（AP600风洞试验模型）Fig.5 Velocity distribution（AP600 wind tunnel test model）

2　结果分析与讨论

2.1风速影响

根据图3设置模型的边界条件。速度入口参数根据核电厂所处的自然环境确定，共选取3个流速：21.5m·s-1、65m·s-1、134m·s-1，分别对应厂址最低温度时的最大风速、设计基准风速和龙卷风风速［14］。选取这三个风速，主要是因为环境高风速对环腔内风速不均匀性的贡献相对于自然循环来说更大一些，而低风速下自然循环的贡献占主导。考虑到地面摩擦和厂房建筑的影响，高度70 m以下区域的风速与所处高度呈指数变化关系，高度70 m以上区域受地面建筑的影响较小，设为均匀流速［15-17］。

风速V的具体设置见式（1）：

其中z表示高度m，x表示高空区均匀风速值，单位m·s-1。

图6、图7分别为入口流速为134m·s-1时百叶窗高度横截面、模型中剖面的压力分布和速度分布。如图6所示，空气在安全壳迎风面通过百叶窗流入空气流道，而流经安全壳旁侧时形成圆柱绕流，安全壳侧面空气流速加快而压力降低，安全壳背风面由于侧面的速度分离而形成漩涡，压力大幅降低。如图7所示，排气口出口上方区域形成一个低压区，环境空气从入口的高压区经空气流道到排气口最终返回到环境中。空气流道上升段的迎风面和背风面压力和速度基本一致，由此可初步推断空气流道内环腔风速流动相对比较均匀。

图8～图13给出了环境不同风速下环腔上升段截面高度处的轴向风速与切向风速变化（轴向、切向示意见图3），横坐标为环腔上升段半个圆周各点的角度，90°表示背风面，270°为迎风面。图8～10可见，环腔上升段标高20m处环腔各点的轴向速度分布与标高30 m、45 m处各点的轴向分布规律类似：迎风面风速要大于背风面的风速，环境风速达到21.5 m·s-1时各截面轴向风速分布较为均匀，不同角度的风速差异基本可忽略，但是随着环境风速增大，这种差异越来越明显。空气从空气流道下降段通过导向叶片转弯进入上升段，随着上升段的标高增加，空气轴向流速趋于均匀，21.5 m·s-1、65 m·s-1和134 m·s-1三种工况45 m截面各角度空气轴向流速的平均偏差依次为5.9%、9.7%、10.6%。图11～13可见，环腔上升段各截面迎风面和背风面的切向风速较小，在180°侧面出现最大的切向风速，切向风速也是反映风的中立特性的一个重要指标。随着环境风速的降低，切向风速的差异越来越小，即环腔风的中立特性越好。

图6　百叶窗高度截面压力和速度分布（134 m·s-1）Fig.6 Pressure and velocity distribution at the louvers' level（134 m·s-1）

图7　中剖面压力和速度分布（134 m·s-1）Fig.7 Pressure and velocity distribution at the central plane（134 m·s-1）

图8　上升段轴向风速（标高20 m）Fig.8 Axial velocity in riser（EL.20 m）

图9　上升段轴向风速（标高30 m）Fig.9 Axial velocity in riser（EL. 30 m）

图10　上升段轴向风速（标高45m）Fig.10 Axial velocity in riser（EL. 45m）

图11　上升段切向风速（标高20 m）Fig.11 Tangential velocity in riser（EL. 20 m）

图12　上升段切向风速（标高30 m）Fig.12 Tangential velocity in riser（EL. 30 m）

图13　上升段切向风速（标高45 m）Fig.13 Tangential velocity in riser（EL. 45 m）

综上，环腔内空气流动均匀特性基本不受环境风速的影响。不同环境风速下，上升段底部（标高20 m）已具有较好的风的中立特性，随着高度的增加，空气流动愈加均匀，故下文其他因素的分析均以标高20m为基础。

2.2风向角影响

为考察不同风向下的风向中立特性，在入口边界设置了不同的风向角，将来流速度分解为水平向和垂直向的风速作为设计输入。风向角表征来流与水平方向的夹角，研究工况假设为-30°、-15°、0°、15°、45°等，其中0°表示水平风向，负值表示来流倾斜向下，正值表示来流倾斜向上。

计算结果表明，在不同流速、不同风向角的工况下，空气流道上升段的空气流动均表现为风向中立。下文以龙卷风风速时的不同风向角为例进行分析。

图14　不同风向角切向风速Fig.14 Tangential velocity vs. wind direction

图14为在龙卷风风速134 m·s-1时不同风向角情况下空气流道上升段标高20 m截面的切向速度分布。同一工况下，空气流道上升段的迎风面和背风面的速度基本保持一致，环腔侧面出现最大切向流速，风向角的变化对该规律基本无影响。结合图15所示切向风速随风向角的变化关系可知，风向角0°即风速水平时，切向风速有最大峰值，风向角绝对值越大，切向风速越均匀，即风的中立特性越明显。

图15　平均切向风速随风向角变化关系Fig.15 Average tangential velocity vs. wind direction

2.3环境温度影响

由于屏蔽厂房及安全壳长期暴露于外部环境中，因此，不同的环境温度条件有可能影响环腔内的空气流动特性，尤其是低温条件下可能对安全壳的外压分析产生一定的影响。在此不考虑环境最高温度的影响的原因是目前外压分析工况外其他事故工况均按照环境高温、环境零风速条件进行保守分析，当环境风速较大时，对外压分析工况之外的事故工况都是有利的。因此，仅针对影响外压分析工况的低温条件进行分析，分别选取-40℃、-23.3℃、-15℃、0℃四组环境温度工况，环境风速均为21.5 m·s-1，即厂址最低温度时的最大风速［14］。安全壳壁面温度设为10℃，该温度为正常运行安全壳的最低温度［14］。选择理想气体模型进行换热计算，计算结果如图16、图17所示。结果表明，不同温度下环腔上升段空气轴向流速和切向流速差别不大，高温时切向流速峰值略小于低温时峰值，温度升高对空气流动的均匀性稍有贡献，但程度很小。总体来说，环境温度对环腔风的中立特性影响不敏感。

图17　不同温度下切向风速Fig.17 Tangential velocity vs. temperature

3　结论

本文应用STAR CCM+软件对CAP1400的非能动安全壳冷却系统的空气流道及外部流场进行耦合仿真分析，研究结果表明：

（1）不同环境风速下，上升段底部具有较好的风的中立特性，随着高度的增加，空气流动愈加均匀。环境风速越大，迎风面和背风面的轴向速度差异越大，但总体不影响风中立的结论。

（2）不同风向角下，上升段空气流动均表现为风的中立，且风向角绝对值越大，风的中立特性越明显。

（3）环境温度对风的中立特性不敏感。

（4）总的来说，CAP1400反应堆的非能动安全壳冷却系统的空气流道具有风的中立特性，满足系统对环境风不敏感的设计要求。

参考文献

［1］孙汉虹，缪鸿兴，程平东，等.第三代核电技术AP1000 ［M］.北京：中国电力出版社，2010.

［2］CD-adapco. STAR-CCM+User Guide［M］. CD-adapco，2013.

［3］陈超.基于STAR-CCM+的建筑物风场数值模拟［D］.沈阳：沈阳建筑大学，2012.

［4］T. van Hooff，B. Blocken，L. Aanen，B. Bronsema. A venture-shaped roof for wind-induced natural ventilation of buildings：Wind tunnel and CFD evaluation of different design configurations［J］. Building and Environment，2011，46：1797-1807.

［5］T. J. Bender，D. J. Bergstrom，K. S. Rezkallah. A study on the effects of wind on the air intake flow rate of a cooling tower：Part 2. Wind wall study［J］. Journal of Wind Engi-neering and Industrial Aerodynamics，1996，64：61-72.

［6］Versteeg H K，Malalasekera W. An Introduction to Computational Fluid Dynamics：The Finite Volume Method［M］. New York：Wiley，1995.

［7］周志军，林震，周俊虎，等.不同湍流模型在管道流动阻力计算中的应用和比较［J］.热力发电，2007（1）：18-23.

［8］尹德操，尤云祥，魏岗.均匀流中直立圆柱体绕流三维数值模拟［J］.海洋工程，2007，25（4）：77-83.

［9］Mark Filipiak. Mesh Generation［R］. Technology Watch Report，Edinburgh Parallel Computing Centre，The University of Edinburgh，1996.

［10］汪箭，吴振坤，肖学峰，等.建筑火灾模拟计算中的网格独立性［J］.消防科学与技术，2005，24（2）：274-278.

［11］李佳. CFD分析PCS关键性能的空气阻道计算最佳实践导则［R］. ZA01K04W03-010-BG，上海核工程研究设计院，2012.

［12］G. R. Lythe，D. Surry. Phase IVa Wind Tunnel Testing for the Westinghouse AP600 Reactor［R］. WCAP-14068，Westinghouse Electric Company LLC，1994.

［13］黄镜宇.非能动安全壳冷却系统空气流道气动特性的数值研究与优化设计［D］.上海：上海核工程研究设计院，2015.

［14］J.L.Whiteman. AP1000 Design Control Document［M］. Revision 19，2011.

［15］M. Lucas，P.J. Martínez，J. Ruiz，et al.，On the influence of psychrometric ambient conditions on cooling towerdrift deposition［J］. International Journal of Heat and Mass Transfer，2010，53：594-604.

［16］中华人民共和国建设部.建筑结构荷载规范GB 50009-2001 ［S］.北京：中华人民共和国建设部，2002.

［17］日本建筑学会.建筑风荷载流体计算指南［M］.北京：中国建筑工业出版社，2010.

Research of Wind Influence on Wind-neutrality Characteristic for
Large Passive Nuclear Power Plant

PANXinxin，HUANGJingyu，XIANGWenjuan，SONGChunjing
（Shanghai Nuclear Engineering Researchand Design Institute，Shanghai200233，China）

Abstract:During long-term period following an accident for passive nuclear power plant，the containment cooling depends on passive air flow path. In design the flow characteristic in air flow path should be not sensitive to the environment wind. In this paper，the 1∶1 CFD（Computational Fluid Dynamics）model for CAP1400 which is a large advanced passive nuclear power plant is established with STAR-CCM+，and then different factors such as wind velocity，wind direction and temperature are studied. Finally，the CAP1400 passive air flow path wind-neutrality characteristic is obtained.

Keywords:environment wind；air flow path；wind-neutrality

中图分类号：TL37

文章标志码：A

文章编号：1672-5360（2016）01-0055-06

收稿日期：2016-01-05修回日期：2016-02-16

基金项目：国家重大科技专项，项目编号2011ZX06002-001

作者简介：潘新新（1981—），男，辽宁大连人，高级工程师，博士，现主要从事工艺系统设计研究工作