李懿　武建新

摘 要：在非能动安全壳冷却系统CFD冷凝模型和蒸发模型的开发过程中，应用了计算流体动力学程序平台CASTEM。采用了Buleev湍流模型和k-ε湍流模型作为冷凝模型，采用了G.Aiello发展液膜蒸发模型作为蒸发模型。经过研究和试验证明，试验值和计算值之间，具有较为良好的吻合度，因此，在非能动安全壳冷却系统当中，能够采用建立的冷凝模型和蒸发模型对其稳态下的传热传质特性进行模拟。

关键词：非能动安全壳冷却系统；CFD；冷凝模型；蒸发模型

前言

在先进压水堆的一些假想事故，例如失水事故当中，利用非能动安全壳冷却系统对安全壳进行排热处理。设计了双层的安全壳结构，其中事故之后的传热面为内层的钢安全壳。在发生失水事故之后，破口处会有冷却剂泄漏到安全壳当中，在低压状态下闪蒸，利用冷凝机制、对流机制等，向钢安全壳壁传递热量，然后经过壁面向外侧流动液膜传递。液膜受热蒸发，会形成向上流动的水蒸汽，从而从安全壳顶部开口出带走热量。

1 冷凝模型

在冷凝模型当中，2D矩形通道是其计算区域，对低雷诺数下的NAVIER-STOKES方程进行计算，能够得到相应的质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程、组分传输方程等。分别采用了Buleev湍流模型和Chien k-ε湍流模型[1]。其中，Buleev湍流模型具有良好的鲁棒性，Chien k-ε湍流模型则具有良好的准确性。通过COPAIN冷凝试验对冷凝模型进行数据验证。结合实际情况，对79个验证工况进行计算，其中，利用两种模型分别计算了59个工况和20个工况。最终得出的总冷凝质量流率计算值与试验值之间，存在着15%以内的偏差，证明了冷凝模型具有良好的准确性，能够用于非能动安全壳冷却系统CFD模型的建立。

2 蒸发模型

在蒸发模型当中，针对非能动安全壳冷却系统中，钢安全壳外侧的空气环腔，利用G.Aiello进行了相应的1D模型的开发。在模型当中，对液膜、空气之间的质量平衡、能量平衡等进行了兼顾，具体分为蒸发传热、对流传热、传导传热等不同的液膜主要传热机理。在模型当中，主要是通过湿空气能量平衡方程、液膜质量平衡方程、湿空气动量平衡方程等进行求解，同时将总热流密度方程、对流热流密度、液膜蒸发质量流密度、液膜蒸发热流密度等作为求解的辅助方程[2]。

如果工况中存在无液膜覆盖的干壁状态，在模型当中，利用CF

X-4程度进行计算，并且验证得到的结果，从而证明了模型与程序的计算结果比较相符。如果工况是有液膜覆盖的湿壁状态，可利用Park和Kang的蒸发试验进行验证，计算数值采用干壁工况状态下的标定值。通过计算，能够得出在轴向平均传热系数中，随着入口空气流速变化曲线和试验值的对比情况，从而得出在蒸发模型中，计算值和试验值比较相符。由此可见，蒸发模型在干壁工况和湿壁工况下，都具有较高的准确度，因而能够用于非动能安全壳冷却系统CFD模型的建立。

3 非能动安全科冷凝系统CFD模型

根据前面开发完成的冷凝模型和蒸发模型，可以进行非动能安全壳冷却系统CFD模型的建立。在该CFD模型当中，根据边界条件、几何参数等相关的参数，例如蒸发通道的高度、宽度、压力、入口温度；冷凝板的高度、厚度；冷凝通道的高度、宽度、压力、入口温度、入口流速、质量分数等，就能够对非动能安全壳冷却系统的运行特性进行反映。在冷凝板处，空气和蒸汽的混合物会发生冷凝，蒸汽的质量分数、近壁面的温度等都会有所下降[3]。会朝着壁面方向，产生冷凝质量流率。通过冷凝、对流等方式，热量能够传递到壁面，进而继续向壁面外侧的液膜进行传递。液膜在吸收热量之后，会蒸发产生蒸发质量流密度，进而通过与空气的对流和蒸发进行热量传递。空气受热上升，会在向上流动的过程中，蒸汽质量分数、空气温度等，也会逐渐升高。

在稳态下，CFD模型中的参数分布情况，能够反映出非能动安全壳冷却系统的变化趋势，结果表明其与计算结构基本吻合。总热流密度在冷凝板两侧具有一定的不同，尤其是在两侧通道的出入口位置，具有更为明显的差别。这主要是因为在通道入口处，具有入口效应，同时受到第一个三维计算网格处理方式的影响造成的[4]。经过验证，表明总传热量在冷凝板两侧是相同的。因此，非能动安全壳冷却系统CFD冷凝模型和蒸发模型能够对其稳态下的传热特性进行有效的模拟，从而掌握其运行状态，确保其发挥出良好的作用和效果。

4 结束语

非动能安全壳冷却系统在实际应用中具有十分重要的作用，为了确保其能够发挥出更为良好的性能和效果，采用CFD来对冷却系统的冷凝模型和蒸发模型进行开发，并且以此为基础建立非动能安全壳冷却系统CFD模型。经过试验和研究证明，该模型具有较为良好的准确性，因而能够在实际应用中发挥出良好的作用。

参考文献

[1]蒋孝蔚，余红星，孙玉发，等.非能动安全壳冷却系统传热传质模型研究[J].核动力工程，2013，5：118-123.

[2]叶成，郑明光，王勇，等.AP1000非能动安全壳冷却水WGOTHIC分析[J].原子能科学技术，2013，12：2225-2230.

[3]魏巍，魏来，陈艳芳，等.基于SimCont的AP1000非能动安全壳冷却系统仿真实现[J]. 原子能科学技术，2013，5：794-797.

[4]孙流莉，阳祥，赵瑞昌，等.安全壳冷却试验蒸发特征数不确定度评定方法及其应用[J].动力工程学报，2015，8：687-692.

作者简介：李懿（1991-），女，籍贯：内蒙古，学历：本科，职称：研究生，研究方向：智能控制技术、多场耦合机电系统动力学分析。

武建新（1971-），男，籍贯：内蒙古，学位：博士，职称：教授，研究方向：机器人技术、智能控制技术、多场耦合机电系统动力学分析、机电系统优化。