AP1000是我國從美國西屋公司引進(jìn)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(yīng)堆堆芯加熱后進(jìn)入蒸汽發(fā)生器,通過U型換熱管壁與二回路的水進(jìn)行傳熱,然后由泵輸送回反應(yīng)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(dòng)傳熱過程稱為一次側(cè)流動(dòng)傳熱。一次側(cè)流體的流動(dòng)換熱特性決定著一回路泵的選型、U型管束設(shè)計(jì)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(yàn)公式和實(shí)驗(yàn)研究,本文采用CFD數(shù)值模擬方法對一次側(cè)的流動(dòng)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(dòng)特性CFD數(shù)值模擬研究和蒸汽發(fā)生器整體流動(dòng)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(dòng)特性研究,建立了下封頭進(jìn)口腔室、出口腔室和單根U型管的CFD分析模型。下封頭進(jìn)、出口腔室建模時(shí)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(jìn)、出口腔室的數(shù)值模擬獲得了腔室內(nèi)詳細(xì)流場分布、壓降損失和進(jìn)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(yàn)關(guān)系式計(jì)算結(jié)果對比,說明了傳統(tǒng)阻力模型并不能準(zhǔn)確描述這種復(fù)雜腔室內(nèi)的流動(dòng)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(jì)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(jì)算時(shí)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(dá)到1500,在管板上分布半徑達(dá)2m,如建立實(shí)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(jìn)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(yīng)U型結(jié)構(gòu)的模型參數(shù)設(shè)置進(jìn)行了詳細(xì)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(jì)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(jìn)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(jì)算得到的管束進(jìn)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(shí)際運(yùn)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(jìn)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(zhǔn)確地預(yù)測一次側(cè)的流動(dòng)傳熱特性,為一回路的設(shè)計(jì)提供參考數(shù)據(jù)。
【學(xué)位單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類】：TL353.13
【部分圖文】：

圖3-3下封頭進(jìn)口部分網(wǎng)格Fig. 3-3 Mesh of inlet plenum分別以下封頭進(jìn)口部分和出口部分的總壓降作為評判標(biāo)準(zhǔn)對模型進(jìn)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(jìn)口部分的2、3、4號網(wǎng)格型可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量增加10%和17%時(shí)，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(gè)半球形腔體（如圖3-6所示），由隔板從中間分成進(jìn)口腔室和出口腔室兩部分，進(jìn)口接管位于進(jìn)口腔室，與隔板的夾角為33.6°，反應(yīng)堆堆芯的冷卻水通過進(jìn)口接管流入進(jìn)口腔室，并最終進(jìn)入U(xiǎn)型換熱管，將熱量傳遞給二次側(cè)。出口腔室包括兩個(gè)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(yīng)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(gè)半?yún)^(qū)，每個(gè)半?yún)^(qū)都分布有10025個(gè)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(jìn)出口總壓降作為評判標(biāo)準(zhǔn)對模型I進(jìn)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(dāng)網(wǎng)格數(shù)量增加15%時(shí)，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(shí)，壓降呈單調(diào)上升趨勢，但增加至4層和5層時(shí)，壓降值最大改變0.8%。綜合考慮計(jì)算時(shí)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(shè)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(shè)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(xiàn)】

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本文編號：2833617