邹文重 赵嘉明

（中国核电工程有限公司，北京 100840）

0 引言

漩涡运动是自然界中一种较为常见的现象，小到湍流中的微尺度涡，大到海洋和大气环流，这些漩涡都呈现出非常复杂的流态，它们从产生到消散都支配着整个流体，影响运动中流体质量、动量以及能量的变化和转移。针对漩涡的研究涉及流体力学、紊流力学以及气象学等学科知识，包括非常丰富的物理内容，其自身具有非定常性和非线性的复杂机制，且对自然界的探索和工程应用有重要的意义，因此漩涡问题一直是流体力学理论和应用研究中最具有难度和挑战性的前沿课题。漩涡通常发生在进水口，对水力机械的正常运行有一定的影响。

在核电厂中，余热排出系统是一个重要的系统，其主要功能为在电厂正常停堆冷却的第二阶段，将反应堆冷却剂系统的热量传输到设备冷却水系统，使反应堆冷却剂的温度以可控的速率降到冷停堆的标准温度，并且将该温度维持到电厂重新启动为止。当一回路处于卸压状态时，余热导出系统（RHR）投入运行，此时反应堆冷却剂系统（RCS）在环路中间水位运行，主冷却剂管道处于半管水状态。RCS水位下降或余热（RHR）泵的流量太高都可能导致在余热（RHR）系统与主冷却剂系统（RCS）的连接处（余热系统从冷却剂系统的取水处）产生漩涡，将空气吸入余热排出泵的上游管道，进而可能造成余热排出泵因汽蚀而导致严重损坏并最终停运。在该运行工况下，余热排出泵无法投入运行，可能会造成堆芯失去循环及冷却。通过设定系统的流量或水位，可以有效地降低发生漩涡的概率，保障余热排出泵在半管运行时的安全性。目前，已经有一些针对核电厂半管运行状态下运行参数与改进措施等方面的研究[1-4]。文献[1]～文献[4]中的研究主要是通过数值计算的方式研究漩涡的产生、形态及参数敏感性，这些研究对于提升核电厂的安全性有一定的借鉴意义。

1 计算模型与计算矩阵

1.1 几何模型

该文在研究中把华龙一号余热排出泵吸水使整个回路循环的物理过程简化为进口与连接处出口流动守恒的物理过程。根据简化之后的情况，建立相应的计算几何模型。该几何模型只取了部分余热排出系统的连接管道，包括主管道的入口以及与蒸汽发生器的出口、余热排出系统连接的出口。主管内径为787.4 mm（RCS 0002号主管内径），吸入口内径为350 mm；X轴、Y轴和Z轴的范围如下：X轴（管道流动方向，m）为（-10，10.3937）；Y轴（竖直方向，m）为（-0.767，1.470）；Z轴（垂直纸面，m）：（-0.394，0.737）。余热排出与主管道连接为斜45°连接，几何模型简图如图1所示。

图1 计算的几何模型

1.2 数值模型

计算选择了SNSYS CFX的VOF两相模型来处理气液界面的问题。湍流模型选取了k-e模型中的RNG模型。重力情况下考虑介质浮升力的影响，相间的表面张力系数设为0.0725 N/m。网格划分为六面体结构化网格，并计算不同网格数，最终选择整个网格数为277万。

1.3 边界条件

在华龙一号电厂的设计中，为了防止产生漩涡，需要对RHR的运行流量进行限制：一回路处于卸压状态（压力=1 bar），如果RCS的水位高于压力容器法兰面时，1台或者2台泵运行，500 m3/h ≤Q≤1 050 m3/h。当RCS的水位低于压力容器法兰面时，1台泵运行（另一台泵可用），500 m3/h ≤Q≤670 m3/h。此时，如果Q＞1 000 m3/h或者2台泵都运行，那么就会产生流量高报警（其中Q为泵的体积流量）。半管运行时，需要在半管水位高低限值之内运行。其中，半管水位高限值为4.64 m（97%）；半管水位低限值为4.54 m（84%）。

根据问题的物理现象，可以将计算边界条件简化为：进口为速度边界，余热排出系统出口为速度边界，与蒸汽发生器相连的出口为压力边界。水位h/D=84%，入口气液面积比为89.73%；h为主管内水位高度，D为主管内径；出口2为压力出口，压力为101 325 Pa；出口1为速度出口。

1.4 计算矩阵

为了得到半管水位低限值下的最大流量值，同时为了减少计算量，计算矩阵所选方法为靠近法，通过上一次的计算结果选择合适的间隔作为下一次计算的流量输入条件。以现行参数1 050 m3/h（291 kg/s）为基准流量，将其作为首次计算的流量输入，如果未出现漩涡，那么在入口增加一定的流量作为下一次的计算输入，以此类推。如果最后发现在半管水位低限值下未产生涡旋，那么就认为该值为定水位下的最大流量值，泵运行有一定安全裕度。最终的计算矩阵见表1。

2 计算结果及分析

2.1 水位低限制下不同流量对漩涡的影响

该计算模型为斜45°模型，水位为低水位限制84%。计算矩阵见表1，下面选取4个典型的算例进行结果分析。

表1 计算矩阵

291 kg/s的气体体积份额的云图如图2所示。

从图2中可以看到，在84%水位及291 kg/s流量下，并未产生贯穿性的漩涡，可以认为在设计的运行条件下不会发生吸气的现象。但是该情况下会有一定量的气体被吸入，出口1处的气体体积份额不到0.01%，远低于泵产生汽蚀的气体份额敏感量3%[1]。因此，可以认为在84%水位以及设计的最大流量下不会发生汽蚀危险。

图2 291 kg/s的气体体积份额的云图

340 kg/s的气体体积份额的云图如图3所示。

增加进出口水的流量到340 kg/s，从图3中可以看到这时的漩涡深度比291 kg/s的漩涡深度有所增加，漩涡下陷更为明显，但是仍然未形成贯穿性的漩涡。出口的气体体积的份额也有所增加，但气体体积的份额仍不到0.04%。因此，可以认为在该流量下，不会发生泵汽蚀的现象。

图3 340 kg/s的气体体积份额的云图

400 kg/s的气体体积份额的云图如图4所示。

图4 400 kg/s的气体体积份额的云图

400 kg/s的流量值已经大于设计的最大运行流量，但是从云图上可以看出仍然未出现完全的贯穿性漩涡，且与前面的算例相比，它漩涡下陷的深度更深，漩涡底部接近余热排出系统接管的入口，出口的气体体积份额不足0.1%。

通过上述计算结果的分析可以得出，在流量运行参数上限值之上较大的范围内仍然未出现贯穿性漩涡，只是随着流量的增加，出口气体的体积分数逐渐增大，但是仍然离安全限制3%较远，因此可以认为设计的流量运行参数在水位低限值下有较大的裕度，不易发生危害性吸气，余热排出系统泵可以安全运行。

800 kg/s的气体体积份额的云图如图5所示。从图5中可以看出，800 kg/s流量下，在出口处可以观察到明显的贯穿性漩涡，且吸气现象明显，这是运行中不可接受的。

图5 800 kg/s的气体体积份额的云图

总的来说，在低水位限值84%的情况中，当正常设计运行的最大流量为291 kg/s时，未见贯穿性漩涡。同时，随着计算流量的增大，接口处漩涡逐渐明显，出口的气体体积分数逐渐增大，但是当流量到达400 kg/s时，仍然未出现贯穿性漩涡，且出口气体的体积份额不足0.1%。从漩涡的分类来看，可以将归为第五类：有少量的气泡吸入，但是总体的量不足0.1%，远低于泵产生汽蚀的3%空气份额敏感值。综上所述，可以认为低水位限制为84%且正常运行的情况下，余热排出泵可以安全运行。

2.2 不同水位对漩涡的影响

在最大的流量情况下，计算了水位为50%、水位为60%以及水位为70%工况下的漩涡生成情况。

h/D=50%的气体体积份额的云图如图6所示。

从图6可以看出，当水位为50%时，291 kg/s的最大流量会发生明显的漩涡吸气现象，因此，运行时的水位不能降到该水位。

图6 h/D=50%的气体体积份额的云图

h/D=60%的气体体积份额的云图如图7所示。

从图7可以看出，当水位为60%时，291 kg/s的最大流量仍会发生明显的漩涡吸气现象，因此在运行时的水位不能降到该水位。h/D=70%的气体体积份额的云图，如图8所示。

图7 h/D=60%的气体体积份额的云图

从图8可以看出，当水位为70%时，291 kg/s的最大流量未发生明显的漩涡吸气现象，因此在运行时，可以认为84%水位低限值是一个相对保守的值。

图8 h/D=70%的气体体积份额的云图

从上述不同水位计算结果来看，70%水位下，在设计的最大流量时未出现明显的漩涡吸气现象，可以认为84%水位低限值是相对保守的值；同时，计算分析上述流量变化得到的流量可以在一个较大的范围内变化且不出现贯穿性漩涡，与之相比，水位的变化区间相对较窄，因此运行时对水位的监测尤为重要。

3 结语

根据上述分析可以知道液位、流量等参数对RHR泵的汽蚀有重要影响，因此在设计中需要通过计算、试验的方法得到准确的临界汽蚀参数，并且适当地增加参数的裕度，保证余排泵在正常情况下不发生汽蚀，从而保证系统的性能。综上所述，该文得出以下3个结论：1）当华龙一号堆型的半管最低水位为84%且工程中设定的最大流量为1 050 m3/h（291 kg/s）时（稳定情况下），并未产生连续贯穿性漩涡，并且在偏离最大流量上限值较多的情况下，接管处仍未出现贯穿性漩涡，体积含气率不到0.1%，余热排出泵不会出现漩涡汽蚀风险。2）计算结果显示，在45°接管的情况下，接管侧产生了气体吸入的现象，而出口非接管侧没有出现气体吸入的现象。3）对于不同水位进行计算，当水位为50%和60%时，都产生了贯穿性漩涡，而水位为70%时，没有产生贯穿性漩涡；华龙一号现行设计的运行水位有一定的裕度，能确保余热排出泵的安全运行。

总的来说，计算结果初步论证了华龙一号设定的运行参数下余热排出泵能正常运行，并且具有一定的防漩涡裕度。