[发明专利]一种大型压水堆核电厂稳压器水封形成过程计算方法

摘要

本发明公开了一种大型压水堆核电厂稳压器水封形成过程计算方法，能够针对大型核电厂在反应堆启动工况下，对其稳压器内部水封形成过程进行三维精细热工水力计算；计算过程为：1、计算区域几何模型建立；2、确立冷凝关系式；3、计算冷凝段温度；4、建立三维冷凝源项；5、流体动力学计算；本发明方法既能够避免对水封结构进行水力验证试验的高成本，又能够保证采用本发明方法进行数值计算所得到的结果的准确性；本发明对水封计算方法的成功建立，能够适用于各类计算流体力学分析程序对稳压器不同工况下水封形成过程进行数值模拟，计算温度、压力分布及水位随时间变化情况；该计算方法适用于其他设备的类似工况。

主权项

1.一种大型压水堆核电厂稳压器水封形成过程计算方法，其特征在于：计算步骤如下：步骤1：计算区域几何模型建立：首先对大型压水堆核电厂稳压器水封形成过程计算区域进行确定，水蒸汽在安全阀接管内壁面冷凝形成液膜，液膜在重力作用下沿管内壁及稳压器内壁面向下流动，直至水封结构底部形成积水；考虑到水封结构及安全阀接管相对于整个稳压器大空间所占体积较小，水封形成过程中，对温度、压力、汽/液相体积份额关键参数影响较大的区域主要集中在水封结构附近，而对整个稳压器大空间内的影响不大；因此，计算区域选取为稳压器上封头与安全阀卸压管接头相交处附近，包括铲形挡板在内的几何区域；简化后所建立的水封结构几何模型具体包括：稳压器上封头至安全阀之间卸压管段，水封结构铲形挡板及其所对应的稳压器内壁面，以及这些壁面所包络的内部流体域空间，同时在铲形挡板与稳压器壁面之间设置有假想出口面；步骤2：确立冷凝关系式：通过设置自定义冷凝源项实现水封形成过程的三维热工水力计算，不需要耗费过大的计算资源，为此需要确立源项中采用的冷凝关系式；根据冷凝经验关系式，并结合大型压水堆核电厂稳压器水封形成过程实际工况，最终确立的冷凝关系式如下：其中：Si——近壁面蒸汽冷凝量；Aface——壁面网格面积；Vcell——与壁面相邻的网格体积；hfg——汽化潜热；αw,cond——壁面冷凝换热系数；Tsat——饱和温度；Tw——壁面温度；步骤3：计算冷凝段温度：根据步骤1，最终选取了稳压器上封头与安全阀卸压管接头相交处附近，包括铲形挡板在内的几何区域作为计算区域；其中冷凝主要发生在稳压器上封头至安全阀之间的卸压管内壁面；在计算设置中，由于整体计算未考虑外界空气与计算区域之间的换热，因此需要将管内壁面考虑为恒温壁面，温度通过一个单独包含管壁和外界空气流固耦合的计算获得；具体如下：建立包含管壁和外界空气的计算区域，管外壁面与空气进行耦合换热，考虑外壁面上法兰结构的影响；管内壁面与稳压器内部空间进行冷凝换热；外界空气为常温对流换热；计算得到的管内壁面温度即为步骤2中冷凝关系式计算所需参数Tw，并作为冷凝段温度设置为计算区域的边界条件；步骤4：建立三维冷凝源项：根据步骤2确立的冷凝关系式，针对水封结构几何模型建立三维冷凝源项，其中包括质量源项即水蒸汽在管壁面冷凝产生的负质量源项、动量源项和能量源项；具体如下：质量源项：动量源项：能量源项：Sh＝‑Si·h其中：Sm——质量源项；Si——近壁面蒸汽冷凝量；Aface——壁面网格面积；Vcell——与壁面相邻的网格体积；hfg——汽化潜热；αw,cond——壁面冷凝换热系数；Tsat——饱和温度；Tw——壁面温度；——动量源项；——三维蒸汽流速矢量；Sh——能量源项；h——蒸汽焓值；步骤5：流体动力学计算：将步骤1中建立的水封结构几何模型与步骤4中建立的三维冷凝源项代入质量守恒、动量守恒、能量守恒三个控制方程中，并采用瞬态计算流体动力学方法进行三维热工水力数值计算；冷凝源项中计算所需参数壁面温度Tw由步骤3提供；计算获得水封形成过程中温度、压力、汽/液相体积份额关键参数的三维分布，以及液位随时间的变化；将计算结果与实验结果进行对比，分析其正确性及精度；当其结果正确且精度满足要求时，则稳压器水封形成过程计算成功。