沈云海　赵禹　张玉龙　赖建永　王保平

【摘 要】核电厂半管水位运行工况期间，余热排出系统与主管道连接的管道入口可能发生涡流吸气现象导致气体进入余排管道，影响余排泵的效率甚至造成余排泵气蚀损坏，进而导致余热导出能力失效。本文基于成熟的核电厂余排管道入口结构设计，采用CFD的方法对不同形式的余排管道入口流动情况进行模拟仿真计算分析，并对半管水位、余排流量等关键参数进行了对比分析，一定程度上为余排接管入口防涡流吸气的设计提供了理论指导。

【关键词】核电厂；半管水位运行工况；涡流吸气；CFD；模拟仿真

CFD simulation on Vortex and air-ingestion phenomenon at the junction of residual heat removal system （RHR） during mid-loop operation at nuclear power plant

SHEN Yun-hai ZHAO Yu ZHANG Yu-long LAI Jian-yong WANG Bao-ping

（Science and Technology on Reactor System Design Technology Laboratory， Nuclear Power Institute of China， Chengdu Sichuan 610041， China）

【Abstract】Vortex and air-ingestion phenomenon may happen at junction of residual heat removal system （RHR） and primary pipe during mid-loop operation at nuclear power plant. Vortex and air-ingestion phenomenon leading to gas go inside RHR pipe can influence the efficiency of RHR pump， even damage the pump by cavitation and result in ability of removing heat of reactor lose finally. CFD were used to simulate fluid field at the junction， and analyse the parameter of fluid field such as level of mid-loop and flow rate. This article is base on mature design of structural of RHR junction， and it can help to design of preventing Air-ingestion phenomenon.

【Key words】Nuclear power plant； Mid-loop operation； Vortex and air-ingestion； CDF； Simulate analysis

0 前言

核电厂“半管水位运行”是指在核电站正常停堆换料期间，反应堆冷却剂系统中整体水位根据蒸汽发生器检修操作需要下降到接近热管段半管高度时的运行状态，此时余热排出系统（RHR）与RCS系统连通，通过余热排出泵持续将堆芯余热导至余排热交换器二次侧。

理论研究结果和工程运行经验都表明，“半管水位运行”期间主管道热段的余排接管嘴附近可能会发生涡流吸气问题，空气进入余排管道对余排泵的性能以及整个余排系统的功能实现有不利的影响。

本文基于目前成熟的核电厂余排管道入口结构设计，采用CFD软件对不同形式的余排入口流动情况进行模拟仿真计算分析，同时对半管水位、流量参数等关健参数进行了对比分析，确定了涡流效应的影响因素，一定程度上为余排接管入口防涡流吸气的设计提供了理论指导。

1 物流吸气效应原理及CFD计算适用性分析

1.1 涡流吸气效应原理

这种可能发生在余热排出系统入口管道处的漩涡属于典型的自由表面漩涡现象，在很多工程中都很常见。现阶段在理论上对于这种漩涡的发生的物理机理还没有统一的认识，工程上一般认为是由于不均匀的来流本身存在一定的漩涡，漩涡随着流动发展在入口附近聚集增强，逐渐发展成为较强的漩涡。漩涡的产生会导致漩涡中心处的流体压强减小，同时入口处流体本身具有一定的流速也将导致该处压强减小，这两个因素带来的中心流体压强的减小会使入口中心附近的液面下凹，进而出现吸气问题。

1.2 CFD计算适用性分析

对于这种可能发生在余热排出系统入口管道处的涡流吸气效应，目前核电工程上主要通过试验研究来进行设计验证。

通过CFD模拟计算来对这个问题进行研究主要存在两方面的问题：（1）CFD模拟计算中不能准确的考虑不均匀来流本身存在的漩涡强度；（2）这类自由表面涡流吸气问题涉及到涡间的非线性作用等深层次的物理过程，CFD模拟计算对于该问题的准确模拟还比较困难。总的看来，现阶段的CFD模拟计算手段可以较好考虑余排管道入口处流体因大流速而带来的压强减小，但不能很好考虑漩涡聚集带来的压强减小，所以计算结果与实际情况将存在一定的偏差，偏差的大小由具体问题决定。

但对于余热排出系统入口管道处发生的自由表面涡流吸气问题，由于主管道热管段内的流场较为均匀，实际流场中的漩涡强度较小。通过CFD模拟计算可以在一定程度上反映实际的流动情况，可用于对于问题的初步分析。

2 CFD模拟计算

2.1 计算方法

基于FLUENT14.5软件，结合VOF方法对该问题进行模拟计算，湍流模型选择SST-CC模型。主管道及余排接管的模型建立参考成熟核电厂的余排接管形式及结构参数，详见图1。

（a）等径余排入口管道布置在主管道热段底部

（b）等径余排入口管道布置在主管道热段侧部

图1 计算模型几何结构图

综合考虑工程中的实际流动情况以及模拟计算需要，计算的物理过程和边界条件设置取结构（a）的某一剖面为代表说明，如图2所示：

1）主管道热段内初始具有一定高度的水位h（m）（即半管水位，用和主管道直径D的百分比表示）；

2）图中红色区域表示水占据的位置，蓝色区域表示气占据的位置；

3）主管道热段左端为流动的入口，设为速度边界，底部细管（余热排出系统接管）为质量出口边界，出口流量为Q（m3/h），主管道热段右端为封闭壁面；

4）计算中保证入口和出口流量相同，维持主管内的主要液位（总水量）保持不变，通过瞬态计算得到流场趋于稳定时的流动情况。

图2 流动过程的边界条件设置

针对不同的几何结构，选择了不同的半管水位和余排流量进行了计算比较，研究余排接管入口结构，余排流量以及半管水位对于余排管道进气的影响，计算条件如表1所示：

表1 计算参数说明

2.2 计算结果

计算得到不同工况下的稳定流场结构，以两相密度图判断是否有气体进入余排管道，计算结果如下所示（为较好显示结果，余排管道底部出口结构采用中心截面显示，侧部出口采用壁面显示）。

计算1：主管道热段液位基本平稳，余排管道入口附近只有很轻微的液面下陷，余排管道出口截面为纯液相，无气相（图3）。

图3

计算2：主管道热段液位基本平稳，余排管道入口附近有轻微的液面下陷，余排管道出口截面为纯液相，无气相（图4）。

图4

计算3：主管道热段液位有一定波动，余排管道入口附近有一定的液面下陷，余排管道出口截面为纯液相，无气相（图5）。

图5

计算4：主管道热段液位有波动，余排管道入口附近有较明显的液面下陷，并伴随着气体进入，余排管道出口截面大部分液相，有气相掺杂（图6）。

图6

计算5：主管道热段液位不平稳，余排管道入口附近有很大的液面下陷，并伴随着气体进入，余排管道出口截面有较多气相。（注：由于余排管道入口混杂很多气体，计算实际并未达到稳定，出口流量为1820m3/h。）（图7）

图7

计算6：主管道热段液位不平稳，余排管道入口附近有很大的液面下陷，并伴随着气体进入，余排管道出口截面大部分为气相。（注：由于余排管道入口在较低流量下就已混杂很多气体，计算实际并未达到稳定，出口流量也只达到1038m3/h左右。）（图8）

图8

2.3 计算结果分析

从计算1和2的结果可以看到，在核电厂实际半管水位工况对应的半管水位高度、余排流量下，两种连接形式的余排管道入口附近的液面均基本平稳，余排管道内无气相，能良好的避免余热管道入口涡流吸气现象发生。

从计算1和3以及计算2和4的结果对比可以看到，随着余排流量增大，余排管道入口附近的液面会有一定下陷，存在气体进入余排管道的可能。这是由于流量增大，余排管道入口附近流速也较大，根据伯努利原理，其压强相对较小，液面会有较明显的下陷现象，更容易导致气体进入余排管道。

从计算3和4的结果对比可以看到，余排管道入口布置在主管道热段侧部相比于布置在底部的情况，其主管道内主液面相对余排管道入口的距离更近，同时局部液面的流速会相对较高，液面下陷的现象更明显，将更容易导致气体进入余排管道。

从对比计算3和5以及计算4和6的结果可以看到，当半管水位（即主管道内液位）较低，主液位与余排管道入口距离较近时，余排接管入口处液面下陷现象十分明显，气体将随着涡流进入到余排管道内。

综上所述，通过采用CFD的方法对核电厂半管水位工况下余排管道入口出现的涡流吸气效应进行计算模拟及对比分析，可以得到以下结论：

1）对于相同的余排接管形式，其主管道内水位越低，余排流量越大，越容易在余排管道入口处形成涡流，气体越容易随涡流进入余排管道；

2）在相同的主管道水位和余排流量的条件下，余排接管入口设在主管道侧部相比于设在主管道底部，更容易形成涡流导致气体进入余排管道。

3 结束语

本文针对核电厂“半管水位运行”期间主管道热段的余排接管嘴附近可能发生涡流吸气问题，基于核电厂实际设计参数，采用CFD方法对两种不同接管形式的余排入口流动情况进行模拟仿真计算分析，同时对半管水位、流量参数等关健参数进行了敏感性分析，确定了涡流效应的主要影响因素。在核电厂余排接管入口防涡流吸气的设计上，一定程度上为后续新建机组设计、现役机组技术改造提供了理论指导。

[责任编辑：汤静]