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直流式蒸汽发生器数值模拟

2016-10-18李平

科技视界 2016年22期
关键词:热应力

李平

【摘 要】以中国实验快堆(CEFR)40%功率下的蒸汽发生器为原型,基于相似模化原理建立了蒸汽发生器简化物理模型。采用两流体模型及热弹性力学基本关系式分别描述气液两相流沸腾相变过程和热应力变化规律。利用CFX对二、三回路侧流体流动传热及与传热管的耦合换热过程进行了数值模拟,并在ANSYS WORKBENCH中实现了流体温度场载荷向结构的传递,进而对传热管进行稳态热分析和热应力分析。研究结果为CEFR蒸汽发生器的安全运行提供了一定的理论支撑。

【关键词】蒸汽发生器;气液两相流;热应力;流热固耦合

0 前言

CEFR蒸汽发生器二回路侧为高温的液态金属钠在管内强制流动,三回路为入口190℃的高温给水。蒸汽侧涉及气液两相流动和沸腾换热,换热过程极其复杂。温差产生的热应力易引起传热管破裂,导致蒸汽发生器失效,对蒸汽发生器安全经济运行影响极大。所以,蒸汽发生器传热管热应力研究对蒸汽发生器的运行研究具有重要意义。本文采用考虑三回路侧复杂的气液两相流动与沸腾换热的两流体模型,再利用ANSYS CFX进行蒸汽发生器二、三回路耦合数值模拟的基础上,以ANSYS WORKBENCH为平台实现温度场载荷向结构的传递,进行传热管稳态热分析和结构静力分析。

1 蒸汽发生器物理模型简化与网格划分

以CEFR直流式蒸汽发生器为原型,考虑二回路钠的纵向流动,基于相似模化理论,建立蒸汽发生器的简化物理模型。该模型由1根中心传热管、与其相邻的几个截面为二分之一圆的曲面。传热管内为三回路流体域,管束间为二回路钠流体域。传热管直径为18.5mm,壁厚为2.5mm,管中心间距为32mm,传热管直管段高度为13m,与实际蒸汽发生器传热管尺寸相同。定义传热管的进出口以及壁面和对称面,模型中流体域及传热管均采用非常细化的优质网格,网格数为1030512。

2 数学模型

CEFR蒸汽发生器二回路钠侧流体流动为单相强制对流,冷却剂的质量流量达78kg/s,认为是充分发展的湍流流动,所以采用标准k‐ε模型。传热管内的三回路给水为5kg/s采用气液两相流动及传热管热应力数学模型。假设三回路工质的含汽率基本上为0.3左右。通过CFX自身的控制方程耦合气液两相之间质量、动量及能量的传输。最终将CFX中计算出来的温度场通过workbench平台传给力学分析工具static structural。导入温度场在力学分析中,进而完成耦合计算。最终static structural根据温度的变化计算出传热管产生的应力、应变。

3 边界条件设置

根据CEFR蒸发器模型和实际运行参数,在CFX‐pre中设置边界条件如下:二回路工质采用自定义的液态金属钠材料,具体参数包含不同温度下的密度、粘度、导热系数等。在40%额定功率的正常工况下二回路入口液钠温度为396℃,入口质量流量为77.8kg/s,出口压力为0.291MPa,二回路为单相流动。三回路工质采用CFX文件包IAPWS数据库中的steam5v和steam5l,双相流动,进口质量流量为5kg/s,进口温度为190℃,轴向高度方向重力加速度为-9.8m/s2,出口压力为10MPa。在40%功率失去给水后恢复的瞬间,三回路入口工质温度基本不变,进口流量基本上为5kg/s,出口蒸汽压力为15.9MPa。二回路的入口钠温401℃,钠流量有一定的变化,出口压力波动不大。二、三回路侧与传热管接触面均设置为流固交界面,其中液相为无滑移边界条件,汽相有滑移;在static structural中设置中心传热管内外壁面为流固交界面以导入温度载荷,传热管底部端面设置轴向零位移约束。

流热固耦合分析流程:流热固耦合分析是在ANSYS static structural和CFX两个模块的基础上,通过专用的流固耦合算法实现结构和流体的耦合分析。即先由流动传热数值计算结果得到传热管内、外壁的温度,以映射插值法在Workbench中实现温度场载荷由CFX‐post向static structural传递,进而对传热管进行稳态热分析并计算传热管的热应力,实现流热固耦合数值模拟。

4 模拟结果和分析

本文模拟计算了在CEFR 40%功率台阶下的两种情况:一是,在未出现给水中断下的正常工况下,蒸发器传热管的温度场和热应力;二是,在给水中断后恢复给水的瞬间,传热管的温度场和热应力。

4.1 在未出现给水中断下的正常工况下,蒸发器传热管的温度场和热应力

在40%核功率下二回路入口液钠温度为396℃,入口质量流量为77.8kg/s,出口压力为0.291MPa,三回路进口质量流量为5kg/s,进口温度为190℃出口压力为10MPa。根据上述参数,计算传热管的温度场分布。再根据温度场数值传递给ANSYS static structural,计算了传热管壁面的最大等效应力。

在40%正常工况下,蒸发器传热管的最大等效应力出现在传热管给水入口侧0.2-0.4m处,最大应力值为39.7MPa。整根传热管的等效应力的范围在5-15MPa以内,取样的30721个单元在15MPa的值上产生坪区。通过查阅CEFR蒸汽发生器说明书和调研国内核电站蒸发器传热管受热分析可以判断这种计算结果比较符合实际工程情况。

4.2 给水中断后恢复给水的瞬间传热管的温度场和热应力

40%额定工况下在给水中断后,蒸发器在短时间内二回路蒸发器入口钠温上升到了401℃,出口钠温为386.2℃,此时的蒸发器入口钠流量会保持在70kg/s。如果在目前这种状况下恢复三回路给水,按照40%核功率匹配给水流量,那么入口为190℃的给水,流量为5kg/s,使得传热管瞬间冷却,根据计算由于管壁内外温差会产生152.2MPa的应力。

恢复给水瞬间传热管壁面温度变化,由此温度造成的内外温度差形成的热应力计算值。根据力学计算工具ANSYS static structural的计算可以看出在恢复给水的瞬间蒸发器传热管壁面会形成最大的应力152.2MPa左右。同样进行单元采样,统计各个部位平均受到的应力,在40%工况下丧失给水后如果采取恢复给水的措施会使整根传热管的传热单元的应力在60MPa左右。

5 结论

从此次的仿真模拟中可以看出,CEFR蒸发器传热管在40%正常工况下三回路给水温度与二回路的钠温温差仅使蒸发器传热管产生5-15MPa的应力。但是当三回路由于意外使给水终止后尝试将给水恢复的话会产生约为152.2MPa的最大应力。虽然此值并没有超过俄方提供的最大应力值475MPa,但是会使传热管产生一定的振动,损害传热管,在实际的运行中应该禁止此类操作。此外,如果在更高的功率台阶下运行,如果三回路给水意外中断,由于二回路钠温较高,流量更大,传热管壁面将会更快的达到上限温度,此时若恢复给水进行冷却是十分危险的。

【参考文献】

[1]蒋兴,张明,谢永诚,等.蒸汽发生器二次侧流场三维数值模拟[J].原子能科学技术,2008,42(增刊):438-443.

[2]杨元龙,孙宝芝.蒸汽发生器二次侧气液两相流数值模拟[J].原子能科学技术,2012,46(1):52-56.

[3]CEFR蒸汽发生器设计说明书[S].

[4]郑陆松,孙宝芝,杨元龙,杨柳.基于流热固耦合的核电蒸汽发生器传热管热应力数值模拟[J].

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