AP1000非能動換熱器數值模擬

薛若軍，王明遠，李朝君，祝 賀

（1.哈爾濱工程大學核安全與仿真技術國防重點學科實驗室，150001 哈爾濱;2.海軍裝備研究院，100161 北京）

AP1000非能動換熱器數值模擬

薛若軍1，2，王明遠1，李朝君1，祝 賀1

（1.哈爾濱工程大學核安全與仿真技術國防重點學科實驗室，150001 哈爾濱;2.海軍裝備研究院，100161 北京）

為準確認識AP1000非能動余熱排出熱交換器的具體換熱和流動過程，針對AP1000非能動換熱器，應用FLUENT軟件對其非穩態傳熱特性和流動進行研究，比較分析同一時刻不同位置溫度場和流場的分布，以及不同時刻同一位置溫度場和流場的變化，分析換熱器傳熱和流動特性隨時間的變化，同時對比分析直管形管束和彎形管束對換熱器自然對流的影響.分析結果表明:溫差、漩渦和回流使溫度場和流場相互影響，彎形管束使流體自然對流更加復雜.研究成果有助于分析換熱器的自然循環能力，為我國新建的AP1000先進壓水堆核電機組的安全運行提供參考.

非能動換熱器;自然循環;彎管;傳熱;流動特性

非能動余熱排出換熱器(PRHR HX)是AP1000非能動余熱排出系統中的主要設備，在事故或停堆時利用自然循環將反應堆內的余熱排出［1］.本文針對AP1000彎管結構的換熱器進行數值模擬，分析溫度場和流場變化，并同文獻［2］的模擬結果進行比較.文獻［2］主要是將彎形管簡化為直管后進行模擬分析.雖然這種簡化在一定程度上可以看出換熱器的溫度場和流場變化，但是仍無法反應真實的變化過程.

用FLUENT軟件對管殼式換熱器的模擬已經有過許多研究，如O.Ender等［3］研究了折流板的寬度對管殼式換熱器殼側傳熱特性的影響，并且從模擬結果的對比中得出了適合管殼式換熱器數值模擬的最佳湍流模型;A.Karno和 S.Ajib等［4］研究了不同傳熱管的排列方式對換熱效果的影響;C.Uday等［5］開發了一種適用于研究管殼式換熱器殼側壓降的理論模型，并且研究了管殼式換熱器殼側壓力的變化.這些研究都充分說明了數值模擬研究管殼式換熱器的可行性和有效性.

1 換熱器模型

1.1 換熱器物理模型

圖1是AP1000非能動余熱排出換熱器(PRHR HX)的局部物理模型［6－8］，換熱器安裝在安全殼內換料水貯存箱(IRWST)里，IRWST的高度為16 m，半徑為7 m，內側傳熱管距IRWST壁面約為2.49 m，傳熱管束粗約為2.13 m.由于沒有研究管內的流動情況，這樣只需對傳熱管外部進行網格畫分，便可以保證網格數量在計算機的承受能力范圍內.在盡量不改變原模型具體結構的基礎上，使模擬的結果更接近于原模型，并可同時研究彎管區的流動情況.換熱器的物理模型和管束排列方式同文獻［2］相同.換熱器簡化模型及坐標方向圖如圖2所示.

圖1 PRHR HX物理模型圖

圖2 簡化模型及坐標方向

1.2 控制方程

控制方程如下［2，9－10］.

守恒方程:

湍流模型采用k－ε湍流模型，對連續方程，φ =1;動量方程，φ =u，v，w;湍流脈動方程，φ =k;湍流耗散率方程，φ=ε.每個控制體共有6個方程.

能量方程:

迪貝斯－貝爾特公式

對于自然對流問題，密度的處理較為關鍵.由于水箱內流體密度變換不太大，為得到更好的收斂速度，選用Boussinesq近似，除動量方程的浮力項外，其他方程中的密度均看成常數.動量方程中的浮力項可表示為

其中:ρ0為流體的(常)密度;T0為操作溫度;β為熱膨脹系數，取β≈0.000 52，以上各個方程中各項物理意義及經驗系數詳情參見文獻［7］.

2 邊界條件設置

因為沒有畫管內網格，所以不能設置管入口和出口邊界條件，只能設置管壁邊界條件.本文采用定壁溫的邊界條件，并將管壁溫度線性化處理來反映沿管長方向溫度的變化.圖3是將直管型換熱器壁溫分不同段數處理時溫度云圖.從云圖分析可知，分段越少，溫度分層越明顯，這是因為分層少高溫段較長使傳熱更加明顯;但是分段越多更能反映實際的傳熱過程.本文結合彎管結構，將管壁溫線性化分為5段.這里要注意管內流體的溫度并不是管外壁的溫度，必須根據相關的傳熱知識計算出管外壁溫.首先由方程(1)計算出管內側對流換熱系數，再由對流換熱公式計算出壁溫.分別計算出管進出口外壁溫后，再將壁溫線性化分成5份處理.水箱外壁設為絕熱壁面.水箱初始水溫48.9℃，傳熱管的入口溫度為297.2℃，出口溫度為92.8℃.對于非穩態問題的求解，要選取合適的時間步長，還要根據殘差監視曲線的變化趨勢調整時間步長和最大迭代步數.計算時先取較小的時間步長(如0.1 s)，計算到一定的時間后再逐漸調大時間步長［11－12］.

圖3 壁溫分不同段線性化處理溫度分布云圖

3 計算結果分析

3.1 溫度場分析

3.1.1 300 s時刻的溫度場分析

在300 s時刻，換熱器內的溫度場和速度場開始出現明顯的變化，所以本文取300 s為研究時間進行分析.云圖中溫度的單位為K，速度單位m/s.

從圖4(a)可以看出，越靠近管壁的直線(x=－2.5)上各點的溫度越高，但在水箱上部(z＞12.8)卻出現x=2.5 m曲線高于x=0 m曲線，x=0 m曲線高于x= －2.5 m曲線的情況，這說明水箱中上部區域出現了局部的回流現象.從每條曲線的總體趨勢來看，都是沿z方向溫度逐漸升高，這主要是受管壁線性化溫度高低不同的影響，其次也由于熱流體在浮力驅動下向上流動導致的.對比3條曲線，可以發現在同一高度z不同水平位置x的溫度變化不同.在較低位置，水箱不同水平位置的溫度差異較小;在較高位置，水箱不同水平位置的溫度差異較大，這是由于在較高位置換熱和流動更強烈導致的.這一模擬結果和參考文獻［2］中相似.在圖4(b)中從3條曲線的整體分布狀態來看，直管段高度越高的水平面上溫度越高，而遠離彎管區域的z=15 m曲線的溫度則低于靠近彎管區的z=12.8 m曲線，這是因為水的導熱系數較小，傳遞到z=15 m處的熱量相對較小.在圖5(a)中可以看出水箱中心明顯的回流現象，而遠離中心管束的區域這一現象還不明顯，這說明越靠近中心管束集中區域的流體的傳熱和對流效果越強，而在圖5(c)中幾乎看不出管束的影響，等溫線變化也不明顯.

圖4 沿x方向和z方向的溫度分布

圖5 3個不同縱截面的溫度分布云圖

3.1.2 不同時刻的溫度場分析

圖6是不同時刻截面y=0.109 m(第一排管)的溫度云圖.從云圖的變化來看，開始時導熱占主導作用，管束通過熱傳導作用把熱量傳遞給周圍流體，使周圍流體的溫度迅速升高;但由于管壁溫度沿z正方向線性升高，所以換熱效果也沿z正方向逐漸升高;管束附近的熱流體在浮力驅動下向上流動，水箱內水溫從下至上呈逐漸升高的趨勢，且等值線向右側發生傾斜.由于水的導熱系數較小，因而開始時溫度明顯升高的區域只是管束周圍的小范圍區域;但隨著時間的增長，流體之間溫差的增大使得流體產生自然對流現象，流動作用增強，溫度等值線發生彎曲，使管束附近集中的熱量不斷擴散出去.從t=150 s的圖中可以看出，在水箱上部溫度等值線彎曲最大，出現兩邊低中間高的趨勢，這說明在水箱上部發生了強烈的回流現象，促進了流體之間以及流體和壁面之間的換熱.在t=300 s時，隨著自然對流的作用，水箱上部等溫線彎曲減弱，而水箱中下部等溫線也發生了不同程度的彎曲.同文獻［2］中的直管模擬結果比較發現，相同時刻彎管結構換熱器水箱中云圖變化更為明顯，說明換熱效果更好，而且相同時刻彎管換熱器的繞流現象也更加明顯，這對于及時排出余熱是有利的.

圖7是不同時刻z=12.8 m截面的溫度云圖.

圖6 不同時刻y=0.109 m(第1排管)截面的溫度云圖

圖7 不同時刻z=12.8 m截面的溫度云圖

從溫度云圖的變化來看，開始時導熱作用產生的管束附近的溫度梯度很明顯.隨著時間的增長，流體在熱浮力驅動下產生自然對流，熱流體有貼水箱側壁流動的趨勢，使得水箱壁面附近溫度較高，中間部分區域溫度反而較低，出現繞流現象，且隨時間的變化繞流區的位置也不斷變化.從圖中可以看出，剛開始只在彎管區有小范圍的繞流，在t=300 s，彎管區的左上方和右上方分別存在繞流，在t=600 s時，左上方繞流消失，而右上方繞流開始像左移動，有逐漸減小的趨勢，在t=1 000 s時，繞流繼續減小，并轉化為幾個局部小的回流，在t=2 000 s時，水箱中繞流現象基本消失，水溫分布趨于均勻.

3.2 流場分析

3.2.1 300 s時刻的速度場分析

圖8(a)是中心面上的3條平行的豎直線沿z方向的速度分布曲線.從整體來看，流速隨高度增大不斷升高，越靠近管壁的區域這種上升趨勢越明顯(如x= －2.5 m曲線)，而較遠位置處這種上升趨勢較平緩.這是因為靠近管壁區的流體受管壁的影響越大傳熱效果越好，產生的熱浮力驅動作用最大;而遠離管壁處溫度較低，產生的浮升力較小.在中上部位置，3條曲線由于在彎管上部區域，溫差較大，自然對流比較劇烈，流速相對彎管下部區域大很多，而隨后在此區域由于溫差和自然對流的作用出現了繞流現象，導致流速出現先增大后減小又增大的過程.從x= －2.5 m曲線可以看出，由于彎管區結構發生突變使流動的復雜性增強，導致在上部彎管區出現了速度先降低后升高，隨后結構變得開闊，速度又逐漸平穩升高.圖8(b)為中心面上3條平行的水平線沿x方向的速度分布曲線.z=12.8 m曲線的形狀反映了管束附近區域的速度梯度分布.而z=1.24 m和z=12.8 m兩條曲線的彎管區域溫度的波動較同一位置直管區更劇烈.在z=15 m曲線中，在彎管區左側流速出現了先降低又升高的趨勢，這是因為在彎管的左上方出現了局部的回流.而從z=15 m和z=12.8 m兩條曲線中可以看出，在彎管區右側，由于出現了繞流，流速先增大后減小，且繞流已經開始向左移動，越靠近彎管壁面，換熱越明顯，向左移動得越快.

圖9是IRWST內部分區域的流線圖.從圖中可以看到:有熱流體沿管壁上升而后向下縱向繞流的較規則的運動趨勢;產生了漩渦，漩渦的攪動有利于對流換熱;局部的繞流和回流現象不僅僅是縱向和橫向作用的，而是相互影響，形成了斜向的漩渦.這說明水箱內各流體的運動規律是相互影響的復雜運動.從圖中還可以清晰地看到彎管左上方、右上方、彎管內側以及彎管外側局部的回流，同時還可以看到流體沿著水箱筒體壁面的繞流.

圖8 沿z和x方向的速度分布

圖9 IRWST內部分區域流線圖

3.2.2 不同時刻的速度場分布

由圖10可知，在換熱器上部彎管區換熱很強烈，150 s時該部分流體流動的速度已經很快，而且出現了漩渦的趨勢，隨著換熱的繼續進行，出現了明顯的繞流現象，產生了更加明顯的漩渦.這種流動形式破壞了管束的邊界層使換熱效果更強.同直管式換熱器相比，彎管換熱器的換熱效果更好，繞流現象更加明顯，在水箱的上部出現了大量的漩渦，加劇了換熱，而且在兩彎管之間的區域換熱也明顯增強.

圖10 不同時刻y=0.109 m(第1排管)截面的速度云圖

4 結論

1)由于溫差、漩渦和繞流的存在，換料水箱中溫度場和速度場產生相互影響，在彎管處溫度場和速度場的變化較劇烈，有利于換熱.

2)隨著時間的增長，熱流體沿著水箱壁面和彎管束內側進行繞流，并且強度、位置和方向不斷的變化.由于受到了彎管束結構的影響，使得流體在換料水箱中的自然對流作用更加復雜，而流體的流速和方向的多變會更有利于熱量的傳遞，增加了該換料水箱的非能動性.

3)管束附近產生了較強的湍流，在彎管區繞流和回流現象更加明顯.由于彎管結構增加了流體的擾動性，所以同直管換熱器相比彎管換熱器的換熱效果更好，更能及時的排出反應堆內的余熱，保證反應堆的安全.

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Numerical simulation of AP1000 passive residual heat removal heat exchanger

XUE RUO-jun1，2，WANG Ming-yuan1，LI Chao-jun1，ZHU He1

(1.National Defense Key Subject Laboratory for Nuclear Safety and Simulation Technology，Harbin Engineering University，150001 Harbin，China;2.Navy Equipment Research Institute，100161 Beijing，China)

To accurately know heat transfer and flow processes of AP1000 passive residual heat removal heat exchanger(PRHR HX)，and provide a reference for the safe operation of our new AP1000 advanced pressurized water reactor nuclear power plant，FLUENT software is used.By comparative analysis of the distribution of temperature-field and flow-field in different locations at the same time，and the change of temperature-field and flow-field in the same location at different times，we can know the heat transfer and flow characteristics which are changed with time more intuitive，and analyze the effect of straight tubes and elbow tubes on the natural circulation.The results show that the temperature difference，vortex，flow around make the interaction of temperature field and flow field.Due to the influence of elbow tubes structure，the fluid natural convection in the IRWST is more complex.

passive residual heat removal heat exchanger;natural circulation;elbow tubes;heat-transferring;flow characteristic

TL33

A

0367－6234(2012)11－0133－06

2012－03－23.

高等學校創新引智計劃資助項目(B08047).

薛若軍(1974—)，男，副教授.

薛若軍，xueruojun@hrbeu.edu.cn.

(編輯 楊 波)