AP1000是我國從美國西屋公司引進的第三代核電技術(shù),蒸汽發(fā)生器是其中重要組成部分,也是一回路和二回路的連接樞紐。一回路為冷卻水經(jīng)反應堆堆芯加熱后進入蒸汽發(fā)生器,通過U型換熱管壁與二回路的水進行傳熱,然后由泵輸送回反應堆本體循環(huán)系統(tǒng)。一回路流體在蒸汽發(fā)生器內(nèi)的流動傳熱過程稱為一次側(cè)流動傳熱。一次側(cè)流體的流動換熱特性決定著一回路泵的選型、U型管束設計排布及與二次側(cè)的換熱特性等。目前傳統(tǒng)的研究方法還主要基于經(jīng)驗公式和實驗研究,本文采用CFD數(shù)值模擬方法對一次側(cè)的流動換熱特性開展研究。論文工作主要包括AP1000蒸汽發(fā)生器各部件(下封頭、U型換熱管)的流動特性CFD數(shù)值模擬研究和蒸汽發(fā)生器整體流動傳熱特性數(shù)值模擬研究兩部分。 通過蒸汽發(fā)生器各部件的流動特性研究,建立了下封頭進口腔室、出口腔室和單根U型管的CFD分析模型。下封頭進、出口腔室建模時不僅保留了管板而且保留了10025根U型150mm高度的換熱管；下封頭進、出口腔室的數(shù)值模擬獲得了腔室內(nèi)詳細流場分布、壓降損失和進入各U型管束的流量分布等流場特性,通過與壓力損失經(jīng)驗關(guān)系式計算結(jié)果對比,說明了傳統(tǒng)阻力模型并不能準確描述這種復雜腔室內(nèi)的流動損失特性；按照平均長度建立了單根U型管的分析模型,并通過不同流量工況計算,擬合獲得單管的壓降特性與流速關(guān)系式,為蒸汽發(fā)生器整體計算時對U型管束模型簡化提供了依據(jù)。 AP1000蒸汽發(fā)生器一次側(cè)換熱管數(shù)量為10025根,平均單管長徑比達到1500,在管板上分布半徑達2m,如建立實際結(jié)構(gòu)整體CFD模型所需模型網(wǎng)格數(shù)量要百億量級。本文采用多孔介質(zhì)模型對U型換熱管束結(jié)構(gòu)進行簡化,建立了蒸汽發(fā)生器一次側(cè)整體CFD分析模型。文中對建立U型管束多孔介質(zhì)模型所涉及的阻力模型、傳熱模型以及適應U型結(jié)構(gòu)的模型參數(shù)設置進行了詳細分析討論。對多孔介質(zhì)區(qū)域與下封頭結(jié)構(gòu)兩種聯(lián)接簡化模型(多孔介質(zhì)區(qū)域直接與下封頭腔室聯(lián)接和通過150mm的U型管與下封頭腔室聯(lián)接)的對比分析表明：兩種模型整體壓降計算結(jié)果與西屋公司提供的壓力損失,三者相差不超過5%,而進入多孔區(qū)域內(nèi)的流量分配兩模型差異超過20%。對多孔介質(zhì)區(qū)兩種換熱模型(均勻模型和與一次側(cè)局部溫度耦合的分布式熱源模型)的對比分析表明：分布式熱源模型計算得到的管束進出口溫差分布和橫截面溫度分布都更均勻,也更符合工程實際運行現(xiàn)象。 本文研究表明：采用保留150mm的U型管束與下封頭聯(lián)接,其余U型管束進行多孔介質(zhì)簡化的方法,建立的AP1000蒸汽發(fā)生器整體CFD分析模型可以較準確地預測一次側(cè)的流動傳熱特性,為一回路的設計提供參考數(shù)據(jù)。
【學位單位】：北京交通大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2015
【中圖分類】：TL353.13
【部分圖文】：

圖3-3下封頭進口部分網(wǎng)格Fig. 3-3 Mesh of inlet plenum分別以下封頭進口部分和出口部分的總壓降作為評判標準對模型進行網(wǎng)格性分析，結(jié)果如圖3-5(a)和3-505)所示。對比下封頭進口部分的2、3、4號網(wǎng)格型可以發(fā)現(xiàn)當網(wǎng)格數(shù)量增加10%和17%時，壓降僅改變4%和1.7%;對比2、5、

3.4模擬結(jié)果分析下封頭是一個半球形腔體（如圖3-6所示），由隔板從中間分成進口腔室和出口腔室兩部分，進口接管位于進口腔室，與隔板的夾角為33.6°，反應堆堆芯的冷卻水通過進口接管流入進口腔室，并最終進入U型換熱管，將熱量傳遞給二次側(cè)。出口腔室包括兩個與隔板平行布置的出口接管，出口接管連接主粟，在冷卻水與二次側(cè)換熱之后將其重新輸送至反應堆堆芯位置吸收堆芯熱量。腔室上面布置高度為790.7_的管板，管板仍然在隔板位置被分成左右兩個半?yún)^(qū)，每個半?yún)^(qū)都分布有10025個直徑為17.48mm的圓孔

圖4-5 U型管網(wǎng)格劃分Fig. 4-5 Mesh of the U-tube以一次側(cè)進出口總壓降作為評判標準對模型I進行網(wǎng)格敏感性分析，結(jié)果如圖4-6所示。對比模型I的2、3、4號網(wǎng)格模型可以發(fā)現(xiàn)當網(wǎng)格數(shù)量增加15%時，一次側(cè)壓降僅改變0.3%;對比2、5、6、7、8號網(wǎng)格模型結(jié)果，可以看出附面層由1層增加至3層時，壓降呈單調(diào)上升趨勢，但增加至4層和5層時，壓降值最大改變0.8%。綜合考慮計算時間和精度，模型I最終采用編號2的網(wǎng)格參數(shù)，網(wǎng)格總數(shù)量約為1800萬。模型II與模型I采用相同的網(wǎng)格設置，由于增加了一段換熱管束，模型II最終網(wǎng)格數(shù)量約為4000萬。表4-1網(wǎng)格設置Table 4-1 Mesh setup最大體網(wǎng)格尺寸 附面層第一層網(wǎng)格高度 附面層層網(wǎng)格單元編號 1：[^率 (mm) (mm) ^ 數(shù)1 280 1.4 1.2 3 18064297

【參考文獻】

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本文編號：2833617