基于流固耦合的核电厂蒸汽发生器主给水接管瞬态温度场分析

张文其　黄伟　何戈宁　李冬慧　胡彧　鲁佳

【摘 要】核电厂蒸汽发生器（SG）发生某些瞬态波动时，主给水系统停运并切换至辅助给水，将使主给水接管嘴内流体产生较大的温度梯度，对主给水接管嘴材料造成较大的热冲击。为了准确评价热冲击影响，就需要对主给水接管的温度场进行准确计算。本文采用流固耦合的计算方法，利用商用计算流体力学进行计算分析，获得了瞬态工况中不同时间、不同位置的流场及温度场分布情况。利用本文的计算结果，可以更准确的对瞬态工况下主给水接管的热冲击影响进行评价。

【关键词】流固耦合；蒸汽发生器；主给水接管；瞬态温度场分析

中图分类号： TH313 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2017）26-0088-002

Transient Temperature Field Analysis of Main Water Supply Tube for Steam Generator Based on Fluid-Structure Coupling

ZHANG Wen-qi HUANG Wei HE Ge-ning LI Dong-hui HU Lu LU Jia

（China Nuclear Power Research Institute，Chengdu 610000，China）

【Abstract】When some transient fluctuations occur in the steam generator（SG）of a nuclear power plant，the main water supply system is shut down and switched to auxiliary water supply，which causes a large temperature gradient in the fluid in the main water supply nozzle.Caused a greater thermal shock.In order to accurately evaluate the impact of thermal shock，it is necessary to accurately calculate the temperature field of the main water supply pipe.In this paper， fluid-solid coupling calculation method is used to calculate and analyze with commercial computational fluid dynamics to obtain the distribution of flow field and temperature field at different times and locations in transient conditions.The results of this paper can be used to evaluate the influence of thermal shock on the main feed water pipe under transient conditions more accurately.

【Key words】Fluid-structure coupling；Steam generator；Main feed water connection；Transient temperature field analysis

0 引言

核电厂蒸汽发生器（简称SG）的给水通常分为主给水、启动给水、辅助给水等几类。这些给水通过蒸汽发生器二次侧承压筒体上的给水接管嘴引入SG。

额定功率运行时，主给水温度较高（约226℃）。当核电厂发生某些瞬态波动时，主给水系统停运并切换至辅助给水。由于辅助给水温度很低（冬季仅7℃），其引入SG内部过程中将使主给水接管嘴内流体产生较大的温度梯度，产生较大的温差应力，对主给水接管嘴材料造成较大的热冲击。

为了评价上述瞬态工况对设备的热冲击影响，就需要对主给水接管内的流场以及主给水接管嘴金属材料的温度场进行准确计算。

目前某些工程采用了简单假设方法，假设辅助給水引入时，给水接管嘴内部流体边界壁温立即变为较低温度（7℃）。这种假设过于简化，难以准确判断出温差应力最大的位置。

本文采用流固耦合的计算方法，利用商用计算流体力学进行计算分析，计算瞬态工况中不同时间、不同位置的流程及温度场分布情况。

1 计算模型建立

1.1 物理模型建立

蒸汽发生器的主给水接管嘴通常设置在SG上部筒体位置并在主给水接管嘴内侧设置防热冲击套管，在防热冲击套管末端连接主给水母管弯头、三通、给水环等结构，见图1。

由于本文的分析针对瞬态工况，需要考虑给水接管及防热冲击套管与给水接管内流体的传热、需要考虑防热冲击套管和给水接管与其间流体的传热，同时给水接管及其邻近区域金属的热容及其变化也需进行考虑。因此，本文建立三维流固耦合分析物理模型，模型包括流体区域以及固体区域。考虑到SG内部的主给水母管弯头、三通、给水环等结构属于非承压件，不在分析的范围内。本文的物理模型包括给水接管内的流体区域以及防热冲击套管与给水接管间的流体区域以及SG二次侧承压壳体、主给水接管、防热冲击套管等固体区域。不同区域的材料见表1。

由于物理结构具有对称性，计算模型采用二分之一模型。计算采用的物理模型见图2。

1.2 网格划分及计算模型

使用商用CFD网格软件划分6面体结构网格，在接近固体壁面处的流体区域对网格进行加密处理，网格数量约750万。湍流模型选择两方程的标准k-ε模型，离散格式采用二阶迎风格式。由于计算所涉及温差较大、流体密度差较大，计算中考虑了重力加速度对流场的影响。endprint

2 瞬态边界条件

第2章所述的物理模型中，對称面采用对称边界条件、SG筒体及主给水接管嘴外壁采用绝热边界条件（电厂运行时，SG外侧有保温层，保温层的热损失与SG热功率相比可以忽略），其余边界条件均需根据瞬态工况的实际情况给出。

由于本文所涉及的瞬态边界条件较为复杂，无法通过商用CFD软件的常规边界条件输入方法进行输入，本文的计算采用用户自定义函数（User-Defined Functions，即UDF）方法，编写自定义程序给定瞬态边界条件。

UDF是商用CFD软件Fluent自带的用户自定义接口，采用C语言编写自定义函数，能够产生依赖于时间，位移和流场变量相关的边界条件。本文采用interpreted型的UDF进行计算。

本节以较典型的瞬态工况（汽机跳闸，反应堆停堆，第15s时主给水切换至辅助给水）为例，给出计算的瞬态边界条件。

2.1 给水入口

给水入口采用流量入口边界条件，流量及流体温度变化见图3、图4。两图中120s以后的数据维持不变，故不再详细绘出。图3中归一化流量为实际流量与额定功率流量的比值。

2.2 给水出口

给水出口采用压力出口边界条件，给水出口背压变化见图5。其中，零点代表额定功率时的出口背压。

2.3 SG内部壁温

SG二次侧承压壳体、主给水接管、防热冲击套管等固体区域的内侧直接与SG内部流体接触，对这些表面，根据SG内部流体温度给定温度边界条件，见图6。其中，零点代表额定功率时SG内部的温度。

3 计算结果

图7是主给水切换至辅助给水（第15s时切换）后在给水接管中心截面上不同时刻的温度场分布云图。可以明显看出，主给水切换至辅助给水后，在给水接管内产生了较为明显的冷热分层现象。

进一步对计算数据进行处理，沿给水接管轴向，对每一截面的给水流体边界壁温进行下包络，并将下包络处理后的每一截面温度按图8中所示坐标（坐标原点为SG给水接管嘴端面）给出。

整理得到的不同时刻、不同截面的流体边界壁温曲线，见图9。

可以看出，主给水切换至辅助给水后，流体边界温度随时间推移而逐渐降低。在计算第100s时，流体边界壁温降至100℃～130℃；计算第400s时，流体边界壁温进一步降低，给水接管嘴端部温度降至仅20度，而防热冲击套管端部以内的区域，壁温仍维持较高温度（约100℃）；从计算第400s至第1825s，流动已趋于稳定，流体边界壁温梯度基本维持不变，温度随着SG内部温度的降低而降低。

在流体边界上，防热冲击套管端部圆角区域，均可以观察到一个明显的温度梯度突变区。

4 结论

本文采用流固耦合的计算方法，利用商用计算流体力学进行计算分析，获得了蒸汽发生器主给水接在瞬态工况下的温度场分布情况。

从计算结果可以看出，瞬态工况下蒸汽发生器给水接管内温度分布情况较为复杂：主给水切换至辅助给水后，在给水接管内产生了较为明显的冷热分层现象。且在流体边界上，防热冲击套管端部圆角区域，存在一个明显的温度突变区。

显然，某些工程采用的将辅助给水引入后给水接管嘴内部流体边界统一设为较低温度的做法过于简单，不能代表实际情况。建议在进行主给水接管热冲击分析计算时，按本文的方法计算温度场。

【参考文献】

[1]John D Anderson.Computational Fluid Dynamics（中译本）[M].北京：机械工业出版社，2007.

[2]张建文，杨振亚，张政.流体流动与传热过程的数值模拟基础与应用[M].北京：化学工业出版社，2009.endprint