蒸汽发生器一次侧流阻数值模拟研究

李磊等

【摘 要】采用CFD的方法，分别采用k-ε湍流模型和SST湍流模型对蒸汽发生器一次侧流动阻力进行数值模拟，获得了蒸汽发生器一次侧入口段、U形管段及出口段的压降，并将CFD计算结果与按经验公式计算结果进行对比分析，提出了对经验公式修正建议。

【关键词】蒸汽发生器；一次侧流动阻力；数值模拟

0 前言

蒸汽发生器是压水堆核电站的关键设备，是核电厂一、二次侧的重要枢纽。在压水堆核电厂中蒸汽发生器一次侧阻力约占反应堆冷却剂系统总流动阻力的40%左右[1]，因此，准确的计算蒸汽发生器一次侧阻力对反应堆冷却剂系统的水力计算和系统布置具有重要意义。

在蒸汽发生器的工程设计中，通常采用专用热工水力程序进行蒸汽发生器的水力计算，如岭澳核电站55/19型蒸汽发生器采用GVSPA程序进行蒸汽发生器一次侧流阻计算，秦山二期核电站60F蒸汽发生器采用GENF程序进行一次侧流阻计算。在上述专用程序中，流动阻力采用经验公式计算，利用经验公式手册查得对应结构的流动阻力关系式，通过简化完成压降计算。这种计算方法需对应于特定结构，针对性较强。目前随着CFD技术的成熟，有学者采用CFD手段开展了蒸汽发生器一次侧流动特性研究[2]。

本文针对AP1000核电站蒸汽发生器的结构特点，采用经验公式方法和CFD方法对蒸汽发生器一次侧流阻进行了计算，并对两种方法的计算结果进行了分析和讨论。

1 经验公式法计算

针对AP1000蒸汽发生器的结构特点，蒸汽发生器一次侧流动阻力可分为5个部分进行计算，如图1所示。其中包括一次侧入口接管突扩局部阻力K1、一次侧出口接管突缩局部阻力K5、传热管入口突缩局部阻力K2、传热管出口突扩局部阻力K4和传热管阻力K3。

蒸汽发生器流阻计算相关参数可由蒸汽发生器稳态热工水力计算获得。

采用经验公式计算时，选用不同的摩擦阻力系数计算公式，摩擦阻力系数略有差别，但最大差值为3.1%，在工程计算误差可接受范围内。

2 数值模拟计算

2.1 几何模型

由于蒸汽发生器传热管数量众多，且传热管长度较长，横向和纵向尺度差别大，如果对蒸汽发生器一次侧整体进行数值模拟，则会由于网格数目过于巨大，难以实现，因此本文将蒸汽发生器分为进口部分、传热管部分和出口部分，分别进行模拟，最后将结果相加获得总压降。

图2为进口部分流体区域，与进口部分相连接的传热管截取高度为150mm，内径为15.4mm，这样高度大约为内径的10倍，可以保证流体充分发展而不受进口条件的影响。出口部分流体域的确定采用类似方法，传热管截取高度为150mm。

2.2 网格划分

本文利用Ansys中的ICEM CFD进行网格划分，对于变径面以及弧面进行了局部网格加密，对于管束区的网格通过网格拉伸完成，对和流体流向不垂直的壁面添加了附面层网格。进口部分总网格数为4986万，出口部分总网格数为2400万。

工程实际中传热管的数量巨大，难以按照实际情况进行模拟，传热管沿程压降利用最短一根传热管和最长的一根传热管进行数值模拟，通过求取二者压降的平均值作为U型传热管的压降损失。最短的U型管的网格总数为274300，最长的U型管的网格总数为386960。

2.3 边界条件

蒸汽发生器发生器一次侧进口部分水的温度和压力基本相同，且下封头不存在热交换，因此可采用绝热模型，流体区域内水的物性参数根据进口部分水的物性参数确定。进口流速为v=23m/s，温度T=321℃。

蒸汽发生器发生器一次侧出口部分同样可采用绝热模型，流体区域内水的物性参数根据出口处水的物性参数确定。

蒸汽发生器传热管需要与二次侧进行热交换，U形换热管数量巨大，导致换热量较大，但是单根传热管内冷却剂的温度并没有发生很大改变，因此传热管内冷却剂的物性参数根据进出口处水的平均温度给定，根据传热管内平均流速给定入口流速。

2.4 计算模型

本文将蒸汽发生器一次侧分为3部分进行数值模拟，单独考虑进口部分或出口部分，流体温差不大，且为单相液体流，水的密度近似为常数。因此，蒸汽发生器一次各部分侧流场可视为三维定常不可压粘性等温流场。湍流模型分别选用k-ε湍流和SST湍流模型。本计算中的压力为相对压力。

2.5 计算结果及分析

2.5.1 局部流动特性

从计算结果发现，采用k-ε和SST这两种湍流模型对计算结果影响不大，两种计算模型的总压降差值仅约为3.2%，属于工程计算误差可接受范围，下文以k-ε模型的结果为例进行说明。

蒸汽发生器一次侧进口部分总压力分布和速度矢量图如图3和图4所示。由图3的进口总压力分布可以看出下封头的进口接管至传热管的压降较大，说明进口部分阻力较大。

蒸汽发生器一次侧出口部分总压力分布如图5所示。由图5可以看出传热管至下封头的出口接管的压降不是很大，说明出口部分阻力很小。

2.5.2 传热管流动特性

因为传热管束长短不一，由于条件所限，无法对传热管全部进行模拟，本文根据传热管内平均流速给定入口流速。分别对最短的和最长的传热管进行了数值模拟，并将二者的模拟结果取平均值作为传热管的压降。

3 结果分析

3.1 阻力分布

采用经验公式法和CFD方法计算得出的蒸汽发生器一次侧各部分阻力占总流阻的百分比如图6和图7所示。从图中可知，蒸汽发生器一次侧阻力主要是传热管的沿程阻力，约占蒸汽发生器一次侧阻力的65%（CFD方法）和51.1%（经验公式法），这是因为传热管长度较长，导致沿程阻力较大；其次是进口部分的阻力，占一次侧阻力的31%（CFD方法）和37.3%（经验公式法）；出口部分的阻力相对较低，仅占一次侧阻力的4%（CFD方法）和9%（经验公式法）。

蒸汽发生器一次侧进口阻力大于蒸汽发生器一次侧出口阻力，这是因为蒸汽发生器一次侧进口流速较大，且突扩结构的局部阻力系数相比突缩结构的局部阻力系数大。

3.2 两种方法阻力计算结果的比较及分析

CFD方法和经验公式法计算的蒸汽发生器一次侧各部分压降对比如图8所示，其中ΔP1为CFD方法计算压降平均值，ΔP2为经验公式法计算的压降。由图可知，采用CFD方法计算的传热管压降和采用经验公式计算的传热管压降计算结果非常接近，差值约为4%。说明本文在传热管流阻数值模拟时，采用的方法是可靠的。

对于蒸汽发生器进口部分及出口部分的压降，采用CFD方法的计算结果和采用经验公式法的计算结果相差较大。采用CFD方法计算的进口部分压降为经验公式法计算结果的61%，采用CFD方法计算的出口部分压降为经验公式法计算结果的29%，其原因分析如下：

1）经验公式法中，计算进口部分和出口部分的阻力系数时，采用的是突扩和突缩结构的阻力系数计算公式，该计算公式是基于狭窄管道截面上流体速度均匀分布和湍流的情况下得出的，该局部阻力系数取决于窄面积与宽面积的比值。蒸汽发生器的进、出口均位于球封头上，因此并不属于典型的突扩、突缩结构。典型的突扩和突缩结构在流动面积变化处均形成强烈漩涡，正是这种漩涡存在导致能量耗散从而产生压降。从蒸汽发生器进口和出口部分流场可知，在进口和出口处未存在强烈旋涡。

2）对于蒸汽发生器出口部分，由于存在两个出口，在经验公式计算中，采用的是等效截面积方法按突缩结构计算局部阻力系数。这种处理方法导致使用经验公式计算的出口部分压降计算结果与CFD方法计算结果存在较大差别。

总体来说，采用经验公式计算蒸汽发生器进、出口部分阻力是一种偏保守的方法。对于蒸汽发生器进、出口这种特定结构的局部阻力系数，目前无特定的经验公式可用，因此，可在突扩和突缩结构阻力系数计算公式的基础上进行必要的修正，以适应蒸汽发生器进口和出口的特定结构。

4 结论

1）分别采用经验公式法和CFD方法对蒸汽发生器一次侧阻力进行计算，其中传热管沿程阻力占一次侧阻力的主要部分。

2）采用CFD方法计算阻力时，采用不同湍流模型对计算结果影响较小。

3）CFD方法模拟传热管压降与经验公式法计算结果吻合良好。

4）采用经验公式方法计算进出口阻力与CFD方法计算结果差别较大，在使用经验公式计算蒸汽发生器进出口阻力时，应进行必要修正，修正系数的确定可根据CFD模拟结果并结合实测结果确定。

【参考文献】

[1]丁训慎.立式蒸汽发生器一次侧水阻力计算[J].核电工程与技术，2003，6（2）：16-21.

[2]张勇，宋晓明，黄伟.低流量下蒸汽发生器一次侧流量分配研究[J].核动力工程，2009，30（5）：56-64.

[3]华绍曾，杨学宁，李世铎.实用流体阻力手册[M].国防工业出版社，1985.

[4]钱颂文.换热器设计手册[M].化学工业出版社，2002.

[5]蒸汽发生器编写组.蒸汽发生器[M].原子能出版社，1982.

[责任编辑：刘展]