蒸汽发生器下降通道分隔板对流场的影响分析

时间：2024-05-19

余平吴舸

（中国核动力研究设计院，四川成都610213）

0 引言

国内目前在役核电厂大多数为M310改进型核电机组，采用了55/19B型蒸汽发生器。该蒸汽发生器给水通过给水接管进入给水环，再通过给水环上的J形管进入下筒体与管束套筒之间的环形下降通道。给水环上设置36只J形管，采用非对称布置，这种设计使约3/4的给水进入热侧（冷却剂入口侧），1/4的给水进入冷侧（冷却剂出口侧）。另外，在下降通道上设置纵向分隔板，将下降通道内冷、热侧给水分隔开。而秦山二期核电站使用的60F型蒸汽发生器以及三门核电站使用的△125型蒸汽发生器采用均匀给水方式（冷、热侧给水流量相同），且在下降通道上未设置纵向分隔板。此前，李向宾等[1]人分析了不同给水方式对二次侧下降段流场特性的影响，其分析对象为AP1000及某300MW核电站蒸汽发生器，下降通道未设置分隔板。针对分隔板对下降通道流场特性的影响分析尚未见报道，因此，需要开展进一步的深入研究。另外，目前工程上进行蒸汽发生器二次侧上升通道流场分析时通常忽略了下降通道的影响，认为下降通道出口条件与入口条件相同，该假设是否适合也需要进一步研究。

本文针对55/19B型蒸汽发生器二次侧下降通道的流场特性进行了分析，同时研究了取消下降通道分隔板后对流体流动及传热过程的影响。

1 计算模型

采用商用CFD软件CFX 15.0对55/19B型蒸汽发生器给水与再循环水在下降通道内的混合过程进行了仿真计算。计算区域的几何模型如图1所示，根据蒸汽发生器结构的近似对称性，计算区域简化为真实模型的1/2，其包括了从蒸汽发生器二次侧水位线以下一水平平面开始一直延伸到下降通道出口位置的流体区域。计算区域的网格由3 420 765个四面体网格、824 400个六面体网格，1 049 995个楔形边界层网格以及少量过渡区的金字塔网格构成。

图1 计算区域几何模型

根据蒸汽发生器上部流体区域的几何结构和流动特点，整个计算区域中设置了4个流体入口，其中，温度较低的给水从给水环J形管入口按冷热侧1:4的方式给入，20%的再循环水从干燥器疏水管给入，75%的再循环水从汽水分离器疏水管给入，剩下的5%再循环水从整个计算区域的顶面进入。进入计算区域后，温度较低的给水和高温的再循环水经过混合后流入下降通道。在下降通道内，由于纵向分隔板的存在，混合后的流体分别从两个出口流出。不考虑计算区域流体与外界的换热，所有壁面均按照绝热边界条件处理。湍流模型采用二方程的κ-ε模型（k是紊流脉动动能（J），ε是紊流脉动动能的耗散率(%））。计算区域的详细边界条件设计如表1所示。流体物性按照蒸汽发生器100%功率工况下的二次侧流体参数（过冷的给水和饱和状态下的再循环水）进行设置。

表1 边界条件

2 计算结果及分析

2.1 下降通道温度分布

图2中给出了计算区域中对称面上的温度分布，可以看出，冷热侧下降通道内存在显著的温度差异，这是非均匀分配的冷热侧给水所致。

图2 对称面温度分布

2.2 下降通道出口温度分布

图3为带分隔板的下降通道出口截面温度分布，图4为不带分隔板的下降通道出口截面温度分布。

图3 下降通道出口截面温度分布（带分隔板）

图4 下降通道出口截面温度分布（不带分隔板）

通过对比可以看出，分隔板的存在对截面上的温度分布影响非常小（包括最大值、最小值和总体趋势）。其中，在带分隔板的下降通道中，该截面上最高温度537 K，最低温度为523.9 K。对于不带分隔板的结构，下降通道出口截面最高温度537.3 K，截面最低温度524.1 K。由此说明，分隔板结构造成的差异几乎可以忽略不计。另外，也可以看出，温度最高的区域出现在热侧远端，总的趋势为向冷侧逐渐降低。但是，最低温区域并不是在冷侧远端，而是出现在冷侧中部。产生这种现象的原因是，给水环上J形管的数量设置为热侧远大于冷侧，流入热侧下降通道的给水流量较大。