[发明专利]一种用于核电厂蒸汽发生器传热管堵流工况模型建立方法

摘要

本发明公开了一种能够对核电厂大型自然循环蒸汽发生器一次侧系统在一定传热管道堵塞事故工况下，对其快速建立三维精细热工水力计算模型的方法。模型建立过程为：1、进行蒸汽发生器完整一次侧水力学分析，分析管板处流量分配规律；2、根据上一步结果选择堵管方案；3、堵管份额及堵管位置的确定；4、真实蒸汽发生器中大量传热管进行几何简化及整体几何建模；5、进行初步计算节点划分；6、建立堵管方程追踪标记管束区域，采用网格标记方法对管束区域进行计算域网格的标记，实现堵管功能；7、采用初步建立的模型进行堵流工况计算，并分析结果的精度，若满足要求则建模完成，若不满足要求则至步骤5对计算节点进行加密处理，直至模型满足计算精度要求为止。

主权项

1.一种用于核电厂蒸汽发生器传热管堵流工况模型建立方法，其特征在于：步骤如下：

步骤1：分析蒸汽发生器完整一次侧结构水力学特性，根据管板处冷却剂流量分配规律，对堵管工况的网格标记方案进行确定：

对压水堆核电站完整蒸汽发生器一次侧进行三维流体动力学计算，根据计算结果显示的管板处流量分配规律对堵管方案进行确定：首先根据对典型压水堆核电站自然循环蒸汽发生器的水力学计算结果分析，计算结果显示U型管蒸汽发生器管板处的流量分配规律明显，具体表现在沿管板径向方向冷却剂进入管板管束处的平均流速变化大，靠近外侧的流速小而靠近内侧的流速大；因此，根据这一特点对传热管区域的堵管方案进行设计，使其能够充分考虑不同堵管位置对一定份额堵管下流场及压降变化的影响；

对于压水堆蒸汽发生器，当蒸汽发生器的入口管道位于管板外围位置处，其在管板处的流量分配遵循环形变化规律，即沿着管板径向的速度梯度大，而在同一径向的速度则分布较为均匀，根据这一特点，采用环形堵管网格标记方案；

当模拟对象与压水堆核电站U型管蒸汽发生器的结构不同但同时属于管束型换热设备的情况下具体操作方法是：首先对要研究的对象进行未堵管工况下的管侧三维流体动力学计算，从而得到管板处即管束流量分配位置的冷却剂流量分配结果；根据计算结果，若得到管板位置的流量分配是均匀的，则堵管位置的变化对于一定堵管份额下的堵管模型的计算结果影响小，这种情况下采用任意一种堵管网格标记方案，各方案的选择对计算结果没有差异性，；若得到管板位置的流量分配分布呈现出沿着管板的圆周方向变化梯度大，而在管板径向方向的变化小的情况下，此时，则选择堵管面积呈现扇形的扇形网格标记方案，扇形网格标记方案是将管板处的堵管区域简化为沿管板中心分布的扇形，根据堵管的位置及堵管的份额对扇形所处的位置及扇形的面积进行改变，该方案充分考虑了此种流量分配情况下堵管位置对计算结果的影响；若管板处的流量分配规律与压水堆核电厂的蒸汽发生器管板处的流量分配规律相同，则同样采用环形网格标记方案；若管板位置的流量分配无规律，十分不均匀，采用矩形网格标记方案，即管板处的网格堵管区域呈现矩形，矩形网格标记方案将堵管位置对模型的影响减小到最低；

步骤2：堵管位置及堵管份额的确定：

根据实际工程需求，堵管份额能够准确得到，但实际堵塞的传热管则一般不规则性地分布在管板不同位置，此时必须对堵管的分布方式进行简化及归一化；具体如下：

首先将已经堵住的各管道坐标进行相加，对各分散的堵管位置进行坐标加权平均计算，寻找各堵塞管道坐标范围内的中心位置坐标，以此作为简化后的集总堵管区域的中心坐标；

通过探测获得的各堵塞管道在管板平面的相对坐标来定义最终简化的堵管坐标，具体方法如下：

其中X Y表示经过简化后归一化堵管坐标位置，x,y分别表示在第n个堵塞管道处的坐标位置；

得到归一化堵管坐标之后，再结合堵管网格标记方案中规定的堵管区域形状以及堵管份额确定的堵管区域面积，得到归一化的堵管坐标及堵管面积；

步骤3：管束区域几何结构的简化及整体几何模型建立：

首先对自然循环蒸汽发生器中数目众多的倒U型传热管管束区域进行简化，以包络管束最内外边界为归一化的冷却剂流域边界，以此对复杂几何结构进行简化建模，具体方法为：对结构复杂的管束区域仅根据包络最外层的边界进行整体几何建模，该区域几何模型建立过程中不考虑管束区域中的孔隙结构，将U型管束与管束之间的孔隙间隔打混，对其结构进行整体几何建模，最终得到的管束流域为一个U型柱状整体，几何模型上并不能显示出管束结构特点，模型在这方面的简化将通过定义每个坐标位置的阻力系数及孔隙率来解决；

蒸汽发生器的下封头区域以及进出口冷却剂管道的几何结构简单，几何建模过程不需要对其结构进行简化，因此，除了管束区域之外的区域采用通用数值模拟方法进行常规三维几何建模；

汇总管束区域的几何模型及下封头和进出口冷却剂管道的几何模型，即获得压水堆核电站蒸汽发生器整体的几何模型；

步骤4：流域计算网格划分：

计算网格划分过程主要分为两个部分，其一是对下封头部分的几何进行计算网格划分，该部分不限制其网格划分的方式，采用六面体结构化网格划分或者非结构网格方法来对其进行网格划分，其二是对管束区域的计算网格划分由于网格标记操作需要网格的边界规整，而六面体正方形网格则能够满足此要求，因此在整个管束区域，通过对其进行六面体结构化网格划分，网格密度按照计算精度要求及堵管份额精度要求而定，使其既不影响网格标记精度又不影响由面积计算的堵管份额精度；而具体的网格密度则将通过热工水力计算结果精度判定，并不断更新网格数量直到计算精度达到要求为止；

步骤5、网格标记方程建立及网格标记：

网格标记方程建立的目的是将发生堵塞的传热管流域包络汇总到一个流体不流通区域内，以此模拟堵管工况；网格标记方程的类型视具体堵管位置及网格标记方案而定，最终目的是能够将堵管区域从整个管束区域中标记出来；

环形网格标记方程建立过程：

首先假设管束轴向正方向为Z方向，管板截面为XOY截面，则在垂直管束段的网格标记方程建立为：

(x‑r)²+(y‑r)²<(R‑r)²

其中r为内环半径，R为外环半径；

弯管处的几何简化为球面几何，则相应的网格标记方程建立为：

(x‑r)²+(y‑r)²+(z‑r)²<(R‑r)²

其中r为内环半径，R为外环半径；

以上是环形网格标记方程建立过程，同理参照以上步骤进行其他类型网格标记方程的建立，当网格标记方程建立完成之后，通过网格标记方程对流域进行区域划分，即对堵管区域及未堵管区域介质性质的区分；

流域区域划分方式具体是：当网格标记方程建立好之后通过将其标记出来的网格区域定义为流体不流通区域即固体介质，未标记的区域则继续使用原来的流体域介质，此外，下封头部分也定义为流体流通区域；通过以上步骤，实现一定堵管位置及一定堵管份额工况下的堵管工况模型的建立；

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