一种核电站稳压器电加热元件的优化布置方法技术

本发明专利技术涉及一种核电站稳压器电加热元件的优化布置方法，包括：首先对稳压器及电加热器进行三维几何建模、网格划分；然后选用RPI壁面沸腾数学模型，进行UDF编写，并和欧拉

【技术实现步骤摘要】
一种核电站稳压器电加热元件的优化布置方法


本专利技术涉及核电站稳压器优化设计
，尤其是涉及一种核电站稳压器电加热元件的优化布置方法。

技术介绍

AP1000是Westinghouse公司研发的百万千瓦级、双环路的第三代先进压水堆核电机组，也是我国将来较长一段时间内核电建设的主力机型之一。截止2017年5月，中国在建AP1000堆型4座，拟建AP1000反应堆12座，其计划的装机容量占我国拟建反应堆总装机容量的53％。目前，国际上尚无AP1000机组运行的成熟经验，因此安全高效地推动我国三代核电自主化进程、确保机组的安全稳定运行具有重要意义。在压水堆核电站中，稳压器是维护系统压力安全的重要设备，其在正常工作时，水腔内会发生频繁的流体波入
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波出过程，并且伴随着复杂的冷热流体混合和过冷沸腾传热现象。而电加热器是稳压器设备的核心元件，主要功能是在额定工况和变负荷运行中，对稳压器中的反应堆冷却剂进行加热，使其维持在满足运行压力的饱和温度，从而控制及调节反应堆冷却剂的压力波动。由于电加热元件直接浸泡在水中，将承受超高水压、瞬时的极端温差变化、放射剂量高、长期稳定运行等苛刻考验，一旦发生故障，将影响电厂维持和控制反应堆冷却剂系统运行压力的能力，甚至导致一回路超压停堆。因此，稳压器下封头内电加热器的布置应能够保证波入的低温冷却剂在最短的时间内被加热至饱和温度，防止低温的冷却剂直接冲击向汽液交界面，加剧电加热器表面的热疲劳造成安全事故的发生，近几年国内外核电站陆续发生的电加热器失效案例，已经引起越来越多的学者关注。目前，国内外对稳压器的研究主要集中在通过建立数学模型研究稳压器动态特性；压力、液位控制调节系统；稳压器整体重量的优化设计上，但是这些研究并不能够体现出稳压器内复杂的流场分布及热工水力特性，也不能够体现稳压器内部电加热元件的加热效果，难以对电加热元件的具体布置形成科学有效的指导作用。

技术实现思路

本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种核电站稳压器电加热元件的优化布置方法，从过冷沸腾两相流传热的角度出发探索稳压器内电加热元件的加热均匀性，以确定出稳压器电加热元件的最佳布置方式。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种核电站稳压器电加热元件的优化布置方法，包括以下步骤：S1、确定压水堆核电站稳压器及其内部电加热器的结构，根据工程实际，建立包含电加热器的核电站稳压器三维全尺寸几何模型，并采用CFD前处理软件进行网格划分以及网格无关性验证；S2、根据稳压器内的流动、传热和相变过程，构建超高压过冷沸腾流动传热模拟的数学物理模型，确定出欧拉
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欧拉双流体模型和RPI壁面沸腾模型的耦合关系；
S3、将步骤S2构建的数学物理模型转化为计算机语言，并嵌入到计算流体动力学软件中，以实现高压环境下沸腾传热的模拟计算；S4、根据电加热器和冷却剂之间的热量耦合关系，确定冷却剂波入速度、温度和压力，并设定电加热器元件的加热方式及功率大小，从而确定出初始工况及边界条件；S5、根据实际稳压器内部电加热器的分组及数量，结合典型的电加热器布置方式，以分别设置通断式电加热器和比例式电加热器的工作模式；S6、根据全局库朗数，设定迭代时间步长，对不同布置方式对应的流动传热控制方程进行求解，当满足过冷沸腾模拟收敛条件之后，通过CFD后处理软件分析稳压器内部不同截面的流场、温度场及空泡份额分布情况，得出最佳的比例式电加热器布置方式。进一步地，所述步骤S1具体包括以下步骤：S11、确定压水堆核电站稳压器及其内部电加热器的结构，包括稳压器上封头、筒体、下封头、电加热器的详细尺寸结构；S12、根据工程实际，建立包含电加热器的核电站稳压器三维全尺寸几何模型，并对稳压器内部及电加热元件进行简化，其中，几何模型包括稳压器以及与稳压器连接的波动管管道；S13、对建立的稳压器三维全尺寸几何模型进行四面体网格划分，并以轴向截面平均空泡份额和截面平均温度为参考对象，验证网格无关性。进一步地，所述步骤S12中对稳压器内部及电加热元件进行简化的具体过程为：忽略冷段、端塞以及密封的端部连接器，只保留加热段，不考虑其内部的结构，将其简化为圆柱体；忽略稳压器内的电加热器支撑板、导流板、筛网、波动管与稳压器的接管结构，以稳压器下封头与筒体交接面的圆心为坐标原点建立坐标系，流体从y正方向进入，重力方向为y负方向；截取下封头以上高1m的筒体进行建模。进一步地，所述步骤S2中构建的数学物理模型具体为：其中，下标k表示气体或液体，下标i表示非k相，α
k
，ρ
k
，H
k
分别为每相的体积分数，密度，速度，焓值，为从k相到i相的质量传递，该数学物理模型等式右边的第一项表示压强引起的焓变；第二项是分子热通量和湍流热通量的组合；第三项表示扩散质量通量引起的焓的变化；最后一项表示壁面热流通量，需要引入沸腾模型，本专利技术采用RPI壁面沸腾模型来计算热通量。进一步地，所述步骤S2中RPI壁面沸腾模型包含对流传热项、激冷热流项和蒸发热流项，其中的汽泡核化密度采用LC模型、脱离直径采用Unal模型、脱离频率采用Cole模型。进一步地，所述步骤S3具体是对RPI壁面沸腾模型进行UDF(User
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Define Function，用户自定义函数)编译，采用C语言编写、使用DEFINE宏定义，通过调用流体速度、温度、压力、压力梯度、湍流动能、速度梯度、壁面、边界的热流量、对流换热系数，并耦合欧拉
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欧拉双流体模型，以将RPI壁面沸腾模型转换为计算机语言嵌入到计算流体动力学软件
中，使高压环境下沸腾传热的计算得以实现。进一步地，所述步骤S4具体包括以下步骤：S41、以压水堆核电站启动环路瞬态的热态功能试验数据作为模拟工况，确定冷却剂流入波动管的速度、温度及操作压力；S42、设定电加热器的加热形式为面热源，通过定义不同圆柱体的热通量来实现传热现象；S43、将稳压器壁面热力边界设置为静止、光滑且无滑移的绝热边界；设置水相、汽相对应的计算域和初始压力。进一步地，所述步骤S5中典型的电加热器布置方式包括但不限于交叉布置、内圈布置、内中圈布置、内外圈布置、中圈布置、中外圈布置和外圈布置方式。进一步地，所述步骤S6具体包括以下步骤：S61、根据全局库朗数，设定迭代时间步长，对不同布置方式对应的流动传热控制方程进行迭代求解；S62、当满足过冷沸腾模拟收敛条件之后，通过CFD后处理软件分析稳压器不同布置方式下内部不同截面的流场、温度场及空泡份额沿稳压器轴向的分布情况，以筛选得到加热效率和加热性能最优的布置方式，即为最佳的比例式电加热器布置方式。进一步地，所述步骤S61具体包括以下步骤：S611、选择VOF两相流模型，选择Realizable k
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ε湍流模型；采用SIMPLEC算法处理连续方程及动量方程的压力—速度耦合关系，对流项离散格式中体积含汽率采用二阶迎风格式；相间传热使用RM关联式，曳力模型采用IZ关联式，升力模型采用Moraga关联式，壁面润滑力采用Antal模型，湍流耗散力本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种核电站稳压器电加热元件的优化布置方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、确定压水堆核电站稳压器及其内部电加热器的结构，根据工程实际，建立包含电加热器的核电站稳压器三维全尺寸几何模型，并采用CFD前处理软件进行网格划分以及网格无关性验证；S2、根据稳压器内的流动、传热和相变过程，构建超高压过冷沸腾流动传热模拟的数学物理模型，确定出欧拉
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欧拉双流体模型和RPI壁面沸腾模型的耦合关系；S3、将步骤S2构建的数学物理模型转化为计算机语言，并嵌入到计算流体动力学软件中，以实现高压环境下沸腾传热的模拟计算；S4、根据电加热器和冷却剂之间的热量耦合关系，确定冷却剂波入速度、温度和压力，并设定电加热器元件的加热方式及功率大小，从而确定出初始工况及边界条件；S5、根据实际稳压器内部电加热器的分组及数量，结合典型的电加热器布置方式，以分别设置通断式电加热器和比例式电加热器的工作模式；S6、根据全局库朗数，设定迭代时间步长，对不同布置方式对应的流动传热控制方程进行求解，当满足过冷沸腾模拟收敛条件之后，通过CFD后处理软件分析稳压器内部不同截面的流场、温度场及空泡份额分布情况，得出最佳的比例式电加热器布置方式。2.根据权利要求1所述的一种核电站稳压器电加热元件的优化布置方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括以下步骤：S11、确定压水堆核电站稳压器及其内部电加热器的结构，包括稳压器上封头、筒体、下封头、电加热器的详细尺寸结构；S12、根据工程实际，建立包含电加热器的核电站稳压器三维全尺寸几何模型，并对稳压器内部及电加热元件进行简化，其中，几何模型包括稳压器以及与稳压器连接的波动管管道；S13、对建立的稳压器三维全尺寸几何模型进行四面体网格划分，并以轴向截面平均空泡份额和截面平均温度为参考对象，验证网格无关性。3.根据权利要求2所述的一种核电站稳压器电加热元件的优化布置方法，其特征在于，所述步骤S12中对稳压器内部及电加热元件进行简化的具体过程为：忽略冷段、端塞以及密封的端部连接器，只保留加热段，不考虑其内部的结构，将其简化为圆柱体；忽略稳压器内的电加热器支撑板、导流板、筛网、波动管与稳压器的接管结构，以稳压器下封头与筒体交接面的圆心为坐标原点建立坐标系，流体从y正方向进入，重力方向为y负方向；截取下封头以上高1m的筒体进行建模。4.根据权利要求1所述的一种核电站稳压器电加热元件的优化布置方法，其特征在于，所述步骤S2中构建的数学物理模型具体为：其中，下标k表示气体或液体，下标i表示非k相，α
k
，ρ
k
，H
k
分别为每相的体积分数，密度，速度，焓值，为从k相到i相的质量传递，该数学物理模型等式右边的第一项表示压强引起的焓变；第二项是分子热通量和湍流热通量的组合；第三项表示扩散质量通量引起
的焓的变化；最后一项表示壁面热流通量，具体采用RPI壁面沸腾模型计算热通量。5.根据权利要求4所述的一种核电站稳压器电加热...

【专利技术属性】
技术研发人员：张继国，陈勇，唐旭，金路，陈大玮，宋长远，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：