[發明專利]一種高溫氣冷堆螺旋管蒸汽發生器熱工水力特性三維計算方法

有效

• 申請號: 202110879159.5
• 申請日: 2021-08-02
• 公開（公告）號: CN113609795B
• 公開（公告）日: 2022-12-09
• 發明（設計）人: 王明軍;孫金象;章靜;田文喜;蘇光輝;秋穗正
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G06F30/28
• 分類號: G06F30/28;G06F111/10;G06F113/08;G06F119/08;G06F119/14
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 何會俠

1.一種高溫氣冷堆螺旋管蒸汽發生器熱工水力特性三維計算方法，其特征在于：包括如下步驟：

步驟1：建立高溫氣冷堆螺旋管蒸汽發生器計算域簡化模型，包括螺旋管蒸汽發生器外部封殼模型和螺旋管蒸汽發生器中心支撐柱模型，具體步驟如下：

步驟1-1：運用幾何模型建立軟件建立高溫氣冷堆螺旋管蒸汽發生器外部封殼模型，模型為圓柱體結構；

步驟1-2：運用幾何模型建立軟件建立高溫氣冷堆螺旋管蒸汽發生器內部支撐柱模型，模型為與步驟1-1建立的高溫氣冷堆螺旋管蒸汽發生器外部封殼模型同心等高的圓柱體；

步驟1-3：將步驟1-1與步驟1-2建立的模型進行裝配，得到高溫氣冷堆螺旋管蒸汽發生器簡化環形通道模型；

步驟2：在步驟1得到的高溫氣冷堆螺旋管蒸汽發生器簡化環形通道模型的基礎上進行網格劃分，具體過程如下：將蒸汽發生器管束區簡化為多孔介質模型，針對管束區一次側和二次側流體域劃分網格，對蒸汽發生器其他部位進行四面體結構化網格劃分；

步驟3：在高溫氣冷堆螺旋管蒸汽發生器管側計算域網格模型范圍內進行流動換熱計算，具體步驟如下：

步驟3-1：將高溫氣冷堆螺旋管蒸汽發生器管側計算域下部表面設置為流體域入口，并根據真實條件設置入口處混合物中氣相體積份額、混合物速度、混合物密度、混合物溫度和壓力；

步驟3-2：將高溫氣冷堆螺旋管蒸汽發生器管側計算域上部表面設置成流體域出口，并設置出口處的壓力和溫度；

步驟3-3：求解二次側阻力源項，耦合求解二次側質量、動量守恒方程，獲得高溫氣冷堆螺旋管蒸汽發生器二次側流體速度場分布；其中二次側質量守恒方程為：

二次側動量守恒方程為：

其中：

t——時間，s

β——孔隙率

P_m——混合物密度，kg/m³

-—混合物速度，m/s

μ_m，eff——混合物有效粘度，Pa·s

-—重力加速度，m·s^-2

α_g——汽相體積份額

ρ_g——汽相密度，kg/m³

α_l——液相體積份額

ρ_l——液相密度，kg/m³

——汽相相對于混合物質量加權平均速度的相對速度，m/s

S_E——能量源項，W·m^-3

通過組分輸運方程，得到高溫氣冷堆螺旋管蒸汽發生器管側流體組分濃度場分布，其中組分輸運方程為：

其中：

t——時間，s

ρ_m——混合物密度，kg/m³

-—混合物速度，m/s

Y_i——混合物中的第i相組分濃度即蒸汽和水的質量份額，％

D_i，m——混合物中第i相的層流擴散系數，m²·s^-1

D_i，t——混合物中第i相的湍流擴散系數，m²·s^-1

步驟3-4：求解二次側能量守恒方程，獲得高溫氣冷堆螺旋管蒸汽發生器二次側流體溫度場分布，其中二次側能量守恒方程為：

其中：

t——時間，s

β——孔隙率

α_g——汽相體積份額

ρ_g——汽相密度，kg/m³

H_g——汽相焓，J·kg^-1

α_l——液相體積份額

P_l——液相密度，kg/m³

H_l——液相焓，J·kg^-1

-—汽相速度，m/s

P——壓力，Pa

——液相速度，m/s

k_m——混合物導熱系數，W·m^-1·K^-1

S_g——汽相質量源項，kg·m^-3·s^-1

步驟3-5：在求得的二次側流體速度場、溫度場與組分濃度場的基礎上，通過得到的蒸汽質量份額W_s能夠計算出螺旋管蒸汽發生器管側流體域與螺旋管束管壁固體域交界面處的蒸汽蒸發率為：

其中：

——蒸汽蒸發率，kg/s

ρ_m——混合物密度，kg/m³

D_m——層流擴散系數，m²·s^-1

W_s——蒸汽質量份額，％

n——面法向量

步驟3-6：由步驟3-5中得到的蒸汽蒸發率計算蒸汽蒸發吸收螺旋管管壁結構的固體域熱量，其中蒸汽蒸發吸收螺旋管壁熱量的吸熱功率為：

其中：

——蒸汽蒸發率，kg/s

h_fg——蒸汽汽化潛熱，J/kg

Q_E——蒸汽吸熱功率，W

步驟4：計算螺旋管管壁結構固體域內的溫度分布，并得到螺旋管管壁與螺旋管蒸汽發生器殼側氣體流體域交界面處的網格分布，具體的，在螺旋管管壁固體域內，熱量主要通過熱傳導的方式傳遞，根據傅里葉導熱定律：

其中：

Q_E——蒸汽吸熱功率，W

λ——螺旋管管壁結構固體域的導熱系數，W/m²·K

A——螺旋管蒸汽發生器管側流體域和螺旋管管壁結構的固體域的交界面面積，m²

T——螺旋管管壁結構的固體域溫度，K

x——螺旋管管壁結構的固體域由內指向外的位置坐標，m

由(7)式得到螺旋管管壁結構的固體域與螺旋管蒸汽發生器殼側氣體流體域交界面處的溫度分布；

步驟5：以步驟4中得到的螺旋管管壁結構的固體域與螺旋管蒸汽發生器殼側氣體流體域交界面處的溫度分布，采用高溫氣體的計算方法計算螺旋管蒸汽發生器殼側氣體流體域內的速度場與溫度場，具體步驟如下：

步驟5-1：將螺旋管蒸汽發生器殼側高溫氣體流體域下部面設置為高溫氣體的出口，上部面設置為高溫氣體進口；

步驟5-2：求解高溫氣體的質量、動量和能量守恒方程，得到螺旋管蒸汽發生器殼側氣體流體域內的速度場與溫度場分布；考慮到高溫氣體的特殊物理性質，采用真實氣體模擬，采用式(8)作為氣體物性關系式：

pv＝RT_g+B(T)p (8)

其中：

p——氣體壓力，Pa；

v——氣體比熱容，J·Kg^-1·K^-1；

R——氣體常數；

T_g——氣體溫度，K；

B(T)——維里系數；

并將其寫成腳本形式，導入計算流體動力學軟件；對高溫氣體的計算需對計算流體動力學軟件進行修正，具體的，選取適配的湍流普朗特關系式，并將其寫成腳本形式并導入計算流體動力學軟件，實現對湍流模型的修正；

步驟5-3：按照實際情況，對不同區域內的組分濃度進行初始化；同時對入口邊界進行組分設置，保證流場與實際情況符合。