非能动余热排出热交换器流动传热分析与验证

蒋 兴，张 伟，祖洪彪 ，戈 剑

(1.上海核工程研究设计院有限公司，上海 200233；2.西安交通大学，陕西 西安 710049)

非能动余热排出热交换器(PRHR HX)是第三代非能动核电厂中非能动堆芯冷却系统的一个重要设备，其功能是在瞬态、事故或任何正常热量排出路径丧失时利用自然循环流动带走堆芯衰变热。PRHR HX布置在安全壳内换料水箱(IRWST)内，IRWST是热交换器的热阱。

非能动排出热交换器传热管数目巨大，不适合直接建模。目前，PRHR HX的数值模拟主要是通过减少传热管数目来实现，如Strohecker[1]，针对AP600试验台架APEX，选取四根传热管，分别对单相对流与过冷沸腾阶段进行了研究；薛若军等[2]以AP1000 PRHR HX传热管为研究对象，通过模型简化对其进行了瞬态特性的模拟。当前多孔介质模型已应用到同样复杂结构的管壳式换热器中，Prithiviraj与Andrews[3,4]基于多孔介质模型研究了管壳式换热器的流动换热特性；Bokil与Zhang等[5,6]对冷凝器内的冷凝现象进行了准三维模拟；丛腾龙等[7]对蒸汽发生器二次侧三维两相流场进行了稳态分析；刘俊强等进行了套管管束式热交换器的阻力特性研究[11]；解衡等采用多孔介质的方法对于管壳式换热器流场进行了三维模拟[12]。本文针对IRWST温升试验进行了三维流动和换热分析，共计算了自然循环和强迫循环两个PRHR试验工况，两个计算工况均采用同一个结构模型，整个计算区域包括了PRHR传热管束在内的整个IRWST流体区域，获得了计算区域内的流场和温度场的三维分布情况。PRHR热态性能试验的过程中，IRWST内水温逐渐升高，试验中为了监测IRWST内各个位置的升温过程，在不同区域布置了大量的温度传感器。最后将计算结果与试验监测点的温度检测值进行了对比，结果吻合较好，为热态调试提供了重要的技术支持。

1 物理模型

1.1 传热模型

PRHR HX一、二次侧传热模型。在PRHR HX的换热过程中，主要分为管内单相强制对流换热、管壁导热和管外自然对流换热。

对于管内一次侧强制对流换热，其换热系数采用Dittus-Boelter公式计算得到：

(1)

式中：Re——Reynold数；

Pr——Prandtl数：

k——流体导热系数；

di——为传热管内径。

PRHR HX管外自然对流换热主要分为水平管束区管外自然对流换热和竖直管束区管外自然对流换热，均采用Churchill&Chu关系式计算：

对于竖直管束区，管外自然对流换热关系式为：

(2)

对于水平管束区，管外自然对流换热关系式为：

(3)

式中：Nu——努塞尔数；

Ra——瑞利数；

Pr——普朗特数。

1.2 多孔介质模型

计算多孔介质区域动量方程中的添加项，获得C型管束不同位置处的阻力特性。流体流经管束区主要分为两种情况，即横掠管束和顺流管束。

顺流管束时的动量方程源项[8]为：

(4)

对于流体横掠管束的情况，在三维直角坐标系中，横掠速度在与管束垂直的平面内分解为两个分量，设为u和w。对于速度分量u。流体横掠管束时动量方程中的源项[9]为：

(5)

1.3 两相流模型

采用漂移流模型求解两相流动问题。该模型假设相间局部热平衡，同时可以考虑相间滑移速度。

空泡份额方程：

(6)

质量加权速度：

(7)

混合物密度：

ρm=αgρg+(1-αg)ρ1

(8)

混合物黏度：

μm=αgμg+(1-αg)μl

(9)

2 计算输入

2.1 几何模型

计算模型为包括PRHR HX在内的IRWST内的三维流体区域。强迫循环和自然循环两个工况的IRWST温升试验流动和传热分析采用相同的计算模型和网格划分模型。计算中将IRWST内的计算区域进行了简化处理，忽略了IRWST中除PRHR HX以外的一些设备装置，如鼓泡器和温度压力传感器的固定装置等。由于这些设备和装置所占的区域要远小于计算区域，因此并不会对温度场和流场的计算结果产生大的影响。IRWST计算模型和网格划分如图1所示[10]，PRHR HX在IRWST中位置如图2所示。

图1 IRWST计算模型和网格划分图Fig.1 The model and meshing of IRWST

图2 PRHR HX在IRWST中所处位置图Fig.2 Location of the PRHR HX in the IRWST

2.2 流体物性

受到PRHR的加热，IRWST内的流体由于受热不均而产生密度差，密度不同的流体受重力作用进而在IRWST内发生自然对流。在计算的瞬态中，流体的物性随温度变动，因此流体物性定义成随温度变化。

在强迫循环和自然循环两种工况的计算模拟中，施加了浮力的影响，重力加速度设置为9.81 m/s2，方向为沿IRWST的垂直向下的方向。计算中，参考温度设置为288.16 K，参考压力为101 325 Pa。由于流体属性在相同压力下仅随温度变化，因此参考压力对结果没有影响。

2.3 边界和初始条件

受到PRHR的加热，IRWST内的流体由于受热不均而产生密度差，密度不同的流体受重力作用进而在IRWST内发生自然对流。在计算的瞬态中，流体的物性随温度变动，因此流体物性定义成随温度变化。

在强迫循环和自然循环两种工况的计算模拟中，施加了浮力的影响，重力加速度设置为9.81 m/s2，方向为沿IRWST的垂直向下的方向。计算中，参考温度设置为288.16 K，参考压力为101 325 Pa。由于流体属性在相同压力下仅随温度变化，因此参考压力对结果没有影响。

温度变化瞬态的边界条件定义如下：

IRWST四周和底部：无滑移光滑壁面，交界面无热流量交换。

IRWST上部流体与空气接触面：自由液面。

PRHR进口：强迫循环和自然循环两个工况下质量流量和温度随时间变化如图3所示。

初始条件：IRWST内流体初始温度为28 ℃，流速为0。

边界条件设置示意图如图4所示。

图3 自然循环下PRHR HX进口温度流量变化图Fig.3 Temperature and flow rate under natural circulation

图4 边界条件设置示意图Fig.4 Setting of the boundary condition

3 分析结果及试验对比

在瞬态初期，管束区域流体的温度迅速升高，而IRWST内其他位置的流体温度基本维持不变。随着时间的推移，IRWST内流体的升温自管束区域由近至远、由上至下缓慢扩展至整个IRWST区域。由此充分反映了IRWST内流体温度升高的整个过程。各瞬态时刻下IRWST水箱内温度分布如图5所示。

图5 各瞬态时刻下IRWST水箱内温度分布图Fig.5 Temperature distribution of the IRWST under various transient conditions

在试验中，为了监测IRWST内各个位置的升温过程，在不同区域布置了大量的温度传感器。因此根据IRWST温升试验中温度监控点的位置，瞬态计算的过程中，选取其中一些典型的位置，在IRWST平面和垂直方向上共布置了36个温度监控点，以监控各个温度测点的温度随时间变化过程。现选取几个关键点将分析结果与试验测量温度结果进行对比如图6所示。

图6 分析结果与试验测量温度对比图Fig.6 Comparison of analysis results with test temperatures

4 结论

本文针对IRWST升温过程进行PRHR HX自然循环下的两相流动分析，通过分析分别获得了IRWST升温过程中IRWST内各个监测点流体温度随时间的变化过程，得到以下结论：

(1)采用多孔介质模型的方法可实现内置换料水箱内的三维热工水力模拟计算，为非能动余热排出热交换器的设备设计提供依据。

(2)通过PRHR HX三维流动传热的分析结果与现场试验数据的对比可以看出，各监测点温度变化的趋势一致，尤其对于处于IRWST中下部的监测点，两者的温度值吻合较好。

(3)随着时间的推进，安全壳内置换料水箱内发生的热分层现象越来越明显，明显的热分层现象反过来会限制水箱内水的自然对流。