核电厂余热排出系统入口涡流破坏结构分析

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1、核电厂余热排出系统入口涡流破坏结构分析摘要：核电厂半管水位运行期间，余热排出系统吸入管线内容易出现空气卷入，导致余热排出泵的损坏，采用涡流破坏结构后可以显著减少空气的卷入。半管水位下，余热排出系统吸入管线内的流动为气液两相流，临界淹没深度和临界水位的准确捕捉是模拟的难点。针对有、无涡流破坏结构的两种形式的余热排出系统吸入管线，在主管道中心水位及多个一回路水位下，对比分析了两种结构下管内流场及空气卷入的差异，并研究了两种结构下的临界水位。结果表明：梯级变径管嘴式涡流破坏结构可以明显抑制余热排出系统吸入管线内的涡流，减少空气的卷入，同时可以显著降低一回路的临界水位，

2、提高了余热排出泵的安全运行裕量。关键词：余热排出系统；涡流破坏结构；空气卷入；半管水位0前言在核电站中，余热排出系统可以带走反应堆冷却剂系统的余热和显热，在核电厂正常停堆冷却的第二阶段，使反应堆冷却剂的温度以可控速率降低到冷停堆温度。在某三代核电站中，反应堆冷却剂系统简称为RCS系统，余热排出系统简称为RNS系统[1]。RNS系统的吸入管线与反应堆冷却剂系统的主管道热段直接相连。当RCS系统处于半管水位运行期间，余热排出系统吸入管线内可能产生涡流，卷入空气，导致下游RNS泵出现空蚀，造成泵的损坏，从而影响一回路的冷却[2]。通过在余热排出系统吸入管与主管道连接处

3、增加一个涡流破坏结构，可以有效地减弱或消除余热排出系统吸入管线内涡流，减小空气的卷入。目前二代压水堆中，余热排出系统吸入管线上无涡流破坏结构，只有被动的应对措施，如当一回路水位低时，需手动停运一台余热排出泵，防止泵的损坏，同时通过涡流探测系统探测泵入口的涡流，触发警报通知人员撤离[3]。美国西屋公司提出一种适用于压水堆的圆柱形涡流破坏结构，并对其产生的作用进行了粗略说明[4]。部分三代核电站中采用了涡流破坏结构，其结构形式有所不同。在某三代核电站中，RNS的吸入母管通过一个梯级变径管嘴式涡流破坏结构与RCS的热管段相连接，该涡流破坏结构可以将RCS半管运行期间余

4、热排出泵吸入空气的可能性降到最低[1]。针对此种形式的涡流破坏结构，国内尚未开展相关的研究。本文针对梯级变径管嘴式涡流破坏结构，采用CFD方法对RNS系统吸入管线进行了模拟，首先通过临界淹深度的设计值和模拟值得对比，验证CFD模拟的准确性。其次，通过有、无梯级变径管嘴式涡流破坏结构下RNS吸入管线内的流场对比，分析涡基金项目：核电安全监控技术与装备国家重点实验室流破坏结构对空气卷入的影响。最后，不断改变一回路水位，通过每个水位下的模拟计算，得出保证RNS泵入口体积分数不超过限制所对应的临界水位，指导泵的现场运行。1数值模拟方法1.1物理模型与网格划分余热排出系统

5、吸入管线的三维模型如图1中所示，吸入管线通过一个垂直的接管嘴与一回路热管段的底部相连，经过90°弯头后，通过梯级变径管嘴式涡流破坏结构实现实现变径。在原设计的基础上，去除涡流破坏结构，模型如图2中所示。通过对比相同条件下两种结构内的流场和空气卷入情况，可以得出梯级变径管嘴式涡流破坏结构的作用。网格采用结构化网格，整体采用O型剖分，并在壁面附近进行加密。图1余热排出系统吸入管线模型图—原结构图2余热排出系统吸入管线模型图—去除涡流破坏结构1.2数值模拟方法在半管水位下，主管道液面以上的空间为空气，液面以下的为水，为典型的气液两相流动。同时，空气与水之间有明显的气液

6、分界面，适合采用自由表面模型，在保证计算精度的同时可以减少计算量。两相均设为连续相，相间无质量传输同时考虑空气与水之间的表面张力，表面张力系数设为0.072N/m。湍流模型采用RNGk-ε模型[3]。此外，计算中需考虑浮力的影响，浮力参考密度采用密度较小的空气的密度。1.3边界条件模型的入口设置在主管道的两侧，同时考虑到半管水位下水流的初始状态为静止，流体在向下流动的同时，会导致入口边界的流体存在流入或流出的现象，因此入口设为开放式边界。出口边界设置在RNS吸入管线的末端。入口边界需设置两相的体积分数，该数值与主管道液位密切相关，关联式见公式（1）~（2）。同时

7、，入口边界需设置压力，压力与液位的关联式见公式（3）。出口边界给定速度，单泵运行时，RNS管线的面平均速度为2.87m/s。初场设全场的速度为零，压力为P，见公式（3）。（1）（2）（3）式中：为空气体积分数；为水的体积分数；为阶跃函数；为垂直高度，m；为主管道液位，m；为压力，Pa；为主管道液面上的气体压力，数值为1atm；为水的密度，kg/m3；为重力加速度，kg·m/s。2计算结果与分析2.1数值模拟验证当水位低于一定高度的时候就会产生吸气旋涡，当吸气旋涡的气核尖部达到吸水管入口的时候，液面距离吸水管口的高度就是临界淹没深度Hc，如图3所示。临界淹没深度是

8、影响吸气旋涡形成和演化的