IRWST滤网漩涡分析技术

翟欢乐，余于仿，周 青，何张陈

（中国能建集团装备有限公司南京技术中心，江苏南京 210015）

IRWST滤网漩涡分析技术

翟欢乐，余于仿，周 青，何张陈

（中国能建集团装备有限公司南京技术中心，江苏南京 210015）

选择AP1000核电厂的IRWST滤网为研究对象，给出了临界淹没水深计算、瞬态仿真模拟和稳态仿真模拟三种漩涡研究方法，并得出IRWST滤网不会引起漩涡现象的结论。三种方法原理不同，可相互验证，用于研究滤网类产品的漩涡特性。

IRWST滤网；漩涡分析；瞬态仿真；稳态仿真

0 前言

核岛地坑过滤器用于事故工况下拦截碎渣，为堆芯提供冷却通道。当核岛地坑过滤器产生漩涡现象时，其夹带空气通过管道进入下游泵的腔内，将降低泵的抽吸作用，使得进入堆芯冷却通道的冷却水减少，对核电安全性产生影响[1]。

AP1000核电厂的地坑过滤器为两套不同的滤网，即内置换料水箱滤网（IR⁃WST滤网）和安全壳再循环滤网（CR滤网）[1]。CR滤网安装在83’标高的地板上，其顶部远低于事故水位，不会产生漩涡现象，可不作考虑；IR⁃WST滤网安装在103’标高的内置换料水箱地板上，事故水位初始远高于IRWST滤网顶部，之后慢慢下降，稳定在108’标高，要求IRWST滤网不会产生漩涡现象。因此，本文对IRWST滤网在水位下降过程中是否产生漩涡现象展开研究，图1为IRWST滤网的布置示意图。

图1 IRWST滤网（A、B、C）布置示意图

1 分析思路

因水位越高，越不容易产生漩涡现象，通常设定事故初始水位高于IRWST滤网顶部1 m，之后慢慢下降，当水位稳定于108’标高时，距IR⁃WST滤网顶部0.05 m，见图2。

本文将采用三种方法对IRWST滤网是否产生漩涡现象进行分析：

（1）参照水电站关于漩涡的临界淹没水深计算公式[2-3]进行理论计算；

（2）采用瞬态模拟法进行漩涡仿真分析，即采用水和气两相介质模拟实际工况中水位下降过程，可直观发现是否产生漩涡现象；

（3）采用稳态模拟法进行漩涡仿真分析，直接模拟最低水位即处于标高108’处时内置换料水箱的流动状态，通过对分析模型速度矢量及压力分布分析，判断IRWST滤网是否产生漩涡现象。

图2 IRWST滤网水位高度图

2 理论公式计算漩涡现象

一般在边界条件、来流条件和运行条件一定时，存在一个下限水深，低于这个水深，就会有一定强度的旋涡发生，这个界限水深SC叫临界淹没水深，见图3。由于临界淹没水深的影响因素众多，其计算公式也很多，以Gordont公式应用最为广泛，已被写入我国的行业水利行业标准[4]。

1970年Gordont根据29个常规电站侧式取水口的原型观测资料，推导出不发生吸气旋涡的最小淹没深度，见图3，公式为：

胸腔镜下肺癌根治术是治疗肺癌的常见手术方法，在确保微创的同时，也能保证肿瘤切除率[1]。快速康复外科(fast track surgery，FTS)通过微创外科技术、最佳术后镇痛以及早期活动和术后饮食等围手术期处理，减少应激反应，降低器官功能障碍的风险，维持生理状态，促进术后恢复，从而缩短住院时间[2]。我院将FTS理念应用于胸腔镜手术患者围手术期管理，现将结果报告如下。

其中：SC—最小淹没深度（m）；d—闸孔高度（m）；v—闸孔断面平均流速（m/s）；c—系数，对称水流取0.55，边界复杂和侧向水流取0.73。

按照Gordont公式对IRWST滤网置于内置换料水箱中能否产生漩涡现象进行计算：

图3 淹没深度示意图

（2）确定闸孔高度d：IRWST滤网（A、B、C）的高度相同，其值为d=1.45 m；

（3）确定系数c：IRWST滤网（A、B、C）均是侧向进水，固选择系数c=0.73；

3 瞬态仿真模拟漩涡现象

3.1 建立分析模型

建立安全壳内置换料水箱分析模型，该模型的出水面为IRWST滤网的进水面，水位面为模型顶部平面，距滤网顶部为1 m，并采用六面体单元对分析模型进行网格划分，见图4。

确定分析模型进行漩涡计算时必要的边界条件：

（1）分析过程中，不考虑外部压力影响，即水位面的相对压力为0 Pa；

图4 IRWST分析模型网格示意图

（2）出水面的平均流速v=0.02 m/s；

（3）内置换料水箱中水位从初始高度降至高于滤网顶部0.05 m时，需用的时间t=V/Q=1 067 s。

3.2 瞬态法漩涡分析

对分析模型进行计算，前300步部分计算残差值高于1E-4，但数值已恒定，不随迭代次数的增加而发生变化，亦达到收敛的目的；300步之后所有计算残差值低于1E-4，收敛良好，并且检测点的线性很好，符合分析模型恒定流速输出的特点。

对分析模型的计算结果进行整理，给出了水位下降20%、50%、75%及100%的水位面及垂直方向水与空气的分界线，见图5。在整个水位下降过程中，安全壳内置换料水箱中水位面平整，无漩涡现象产生。

图5 IRWST滤网瞬态分析结果

4 稳态仿真模拟漩涡现象

采用稳态模拟法进行漩涡分析，模拟安全壳内置换料水箱内水位稳定于标高108’处的状态。建立安全壳内置换料水箱分析模型，与瞬态模拟法漩涡分析时所建模型相比，唯一不同在于模型顶部平面距滤网顶部平面仅0.05 m，其他尺寸及边界条件均相同。

对分析模型进行计算，得到其流速矢量图，见图6。由图6可知，在IRWST滤网A、滤网B和滤网C进水口附近，水流速度的方向均是向下，并略倾斜向滤网进水口，未发现代表漩涡现象的环形速度矢量。因此，可判定内置换料水箱内水位下降过程中，IRWST滤网运行不会引起漩涡现象。

图6 分析模型进水面流速矢量图

5 结语

本文采用三种方法对IRWST滤网的漩涡现象进行研究，一是采用理论公式法，通过临界淹没水深进行判断；二是采用瞬态仿真模拟法，直接观察水位下降过程中的水与空气的分界面；三是采用稳态仿真模拟法，通过流体的速度矢量进行判断。三种方法原理不同，但得出相同的结论，即内置换料水箱水位下降过程中，IRWST滤网运行不会引起漩涡现象。此结论与实际工况相符合，因AP1000堆型取消了安全级喷淋系统，增大了滤网面积，使得过滤器的流速很低，难以产生漩涡现象。

［1］林诚格，郁祖盛.非能动安全先进核电厂AP1000［M］.北京：原子能出版社，2008.

［2］郑双凌，马吉明.水口漩涡特性及临界淹没水深的研究进展［J］.南水北调与水利科技，2010（5）：129-132.

［3］陈云良.进水口前立轴旋涡水力特性的研究［D］.成都：四川大学，2006.

［4］SL285-2003［S］.水利水电工程进水口设计规范.

Vortex Analysis Technique of IRWST Screen

ZHAI Huan-le，YU Yu-fang，ZHOU Qing，HE Zhang-chen
（China Energy Equipment Nanjing Technology Centre，Nanjing210015，China）

Select the IRWST screen used in AP1000 nuclear power plants as the research object.This paper provides three vortex research methods of critical submergence calculation，transient simulation and steady simulation，and concludes that the IRWST screen does not cause vortex phenomenon.The three methods，with different principle，can verify each other，and be used to research the vortex characteristics of filter products.

IRWST screen；vortex analysis；transient simulation；steady simulation

TB126

：A

：1009－9492(2014)12－0148－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.12.037

翟欢乐，男，1985年生，硕士，工程师。研究领域：核电产品、节能环保产品。已发表论文1篇。

(编辑：向 飞)

2014－09－15