“华龙一号”非能动安全壳热量导出系统程序与STAR-CCM 程序耦合计算方法.pdf

DOI:10.11991/yykj.202304010网络出版地址：https:/ STAR-CCM+程序耦合计算方法李精精，黄政，陈巧艳中国核电工程有限公司，北京100840摘要：为更好地对“华龙一号”（Hua-longpressurizedreactor1000，HPR1000）非能动安全壳热量导出系统(passivecontainmentheatremovalsystem，PCS)周围的流场和浓度场进行分析，针对 HPR1000PCS 基于漂移流模型开发了一套一维自然循环瞬态计算程序，并将该系统程序与 STAR-CCM+程序开展耦合计算研究。PCS 程序读取来自 STAR-CCM+程序计算的温度、压力及气体组分参数开展计算，并将 PCS 传热管温度作为返回值传递给 STAR-CCM+程序，通过在 PCS 传热管壁面附近第一层网格内设置冷凝通量的方法将 PCS 冷凝量及冷凝对应能量从系统中移除。研究结果表明，采用经过验证的 PCS 程序和耦合计算方法对 PCS 空间进行计算分析，可以有效控制空间内的温度和压力，PCS 周围形成明显的温度和浓度梯度。本研究建立的 PCS 程序与 STAR-CCM+程序耦合计算方法能够用于后续 HPR1000 及华龙后续机型的 PCS 研究。关键词：非能动安全壳热量导出系统；“华龙一号”；STAR-CCM+；耦合计算方法；热工水力；漂移流模型；自然循环中图分类号：TL364.4文献标志码：A文章编号：1009671X(2023)04002605Research on the coupling calculation method using HPR1000 PCS code andSTAR-CCM+programLIJingjing,HUANGZheng,CHENQiaoyanChinaNuclearPowerEngineeringCo.,Ltd.,Beijing100840,ChinaAbstract:InordertobetteranalyzetheflowfieldandconcentrationfieldoffluidinthevicinityoftheHua-longpressurized reactor 1000(HPR1000)passive containment heat removal system(PCS),a one-dimensional naturalcirculationtransientcalculationcodededicatedtoPCS,whichwasdevelopedbasedondriftflowmodel,wascoupledwithSTAR-CCM+.ThePCScodereadtheparameterscalculatedbySTAR-CCM+,includingtemperature,pressureandgascomposition,andtransferredthetemperatureofPCSheattransferpipetoSTAR-CCM+.BysettingthecondensationfluxinthefirstgridnearthewallofthePCSheattransfertube,thecondensationamountandthecorrespondingenergyofthePCSareremovedfromthesystem.TheresultsshowthatthetemperatureandpressureinthePCSspacecanbeeffectivelycontrolledbyusingtheverifiedPCSprogramandcouplingcalculationmethod.EvidenttemperatureandconcentrationgradientsareobservednearthePCS.Inconclusion,thePCScodeandSTAR-CCM+couplingmethodestablishedinthisstudyareapplicabletothePCSsystemresearchofHPR1000andtheHPR1000follow-uptypesofmachine.Keywords:passive containment heat removal system;Hua-long pressurized reactor 1000;STAR-CCM+;couplingcalculationmethod;thermalhydraulic;driftflowmodel;naturalcirculation“华 龙 一 号”（Hua-long pressurized reactor1000，HPR1000）非 能 动 安 全 壳 热 量 导 出 系 统(passivecontainmentheatremovalsystem，PCS)用于在设计扩展工况下安全壳的长期排热，包括与全厂断电、喷淋系统故障相关的事故。在电站发生设计扩展工况时，将安全壳压力和温度降低至可以接受的水平，并保持安全壳的完整性。在设计扩展工况，特别是严重事故情况下，PCS 作用可能会造成安全壳内呈现局部热工参数分布不均匀的情形，此时传统的集总参数程序无法进行准确模拟。收稿日期：20230411.网络出版日期：20230531.基金项目：国家重点研发计划项目（2020YFB1901400）.作者简介：李精精，女，高级工程师，博士研究生.黄政，男，高级工程师，博士研究生.通信作者：黄政，E-mail：huangzhengcnpe.cc.第50卷第4期应用科技Vol.50No.42023年7月AppliedScienceandTechnologyJul.2023近年来随着两相计算流体力学（computationalfluiddynamics，CFD）技术的发展，采用 CFD 技术开展含不可凝气体的蒸汽冷凝方法的研究日益增多18。然而，对于较为复杂的核动力系统或设备，采用计算流体力学程序进行计算时会消耗大量的计算资源。因此，许多学者开展了 1D 系统程 序 与 3D 流 体 力 学 程 序 的 耦 合 研 究914。Bezlepkin15针对 VVER-1200 电站的 PCS 开展内部流场计算，其研究中将 PCS 等效为定温边界，研究发现将传热管等效为等面积的平板不会导致换热表面明显的流场变化。边浩志16建立了扩散边界层冷凝模型，并通过修正 Suction 效应，完成了竖直管束周围冷凝传热分析。目前，关于含不凝性气体蒸汽冷凝研究，多以定壁温作为边界条件，这与 PCS 运行的实际工程情况不符，且目前关于 PCS 程序与 CFD 程序耦合计算研究的内容还较少，而 PCS 运行状态与壳内热工水力状态又是相互影响的耦合效应。因此，本文基于两相流漂移模型开发 HPR1000PCS 一维自然循环瞬态程序，开展 PCS 程序与 STAR-CCM+程序的耦合计算方法研究，分析 PCS 程序作用下的局部热工水力行为。1计算模型PCS 内流体热工水力参数的变化遵循质量、动量和能量守恒的基本规律，再辅以流体状态方程及相应的辅助方程可构成封闭方程。在漂移流模型中动量方程表示的压降除摩擦阻力压降、重力压降和加速压降外，还要考虑漂移流压降梯度。在 PCS 程序开发过程中所采用的数学物理模型参见文献 17。在 PCS 程序中，使用的 PCS 换热管管外换热系数公式为h=aNbsPtctdw进而可以计算冷凝率为m=CihA(TbTw)/Hlg(1)a、b、c、dNsCiTbTwPttwAHlg式中：为实验获得的系数；为水蒸汽的体积分数；为冷凝量修正系数；为流体温度，；为壁面温度，；为总压，Pa；为壁面过冷度，；为 PCS 换热管面积，m2；为汽化潜热。双组份混合物的扩散系数18计算为D=D0(T/T0)aP/P0T0P0a式中：、分别为标准状态下的温度和压力，分别 为 273.15 K 和 101325 Pa；的 取 值 范 围 为D02.56105m2/s1.52.0，该处取 1.81；为标准状态下的扩散系数，取值为。2方案验证2.1PCS 程序验证在 11 比例的 PCS 功能验证实验中，PCS 换热器采用双排竖管布置方式，C 形传热管由上、下联箱连接，如图 1 所示。壳体换热器图1实验装置示意图 1 中，冷凝罐组件直径 4.5m、直筒段高度6m、自由容积约 127m。实验开展了不同压力和气体（蒸汽、空气和氦气）配比组合条件下的准稳态实验工况，根据不同工况实验情况，对 PCS 程序开展验证工作，计算值与实验值之间的误差如图 2 所示。00.51.0PCS 功率实验值/MWPCS 功率计算值/MW1.52.02.5+20%+10%10%20%2.52.01.51.00.5图2PCS 程序准稳态工况验证由图 2 可知，计算值与实验值之间的绝大部分误差落在20%范围内。其中，误差落在10%以内的有 81 个，占总数据的 62%；误差落在10%20%的有 33 个，占总数据的 25%；误差超过20%的有 17 个，占总数据的 13%。对实验数据进行分析发现，误差超过 20%的工况均为低压工况。当冷凝罐内压力较高时，由于水蒸汽的份额和混合气体的温度较高，换热器管外具有较高的冷凝第4期李精精，等：“华龙一号”非能动安全壳热量导出系统程序与 STAR-CCM+程序耦合计算方法27换热系数，使系统有能力在回路出口附近维持稳定的闪蒸进程，因而系统的流量比较大，且流动稳定；而随着冷凝罐压力的降低，不可凝性气体的相对份额升高，换热器的冷凝换热系数显著下降，导致自然循环流动逐步发生周期性波动，且波动周期越来越长，回路中呈现两相流单相流交替流动状态，从而增加了实验测量误差和计算误差。事故状态下安全壳内压力、温度迅速上升，并维持在较高的温度、压力范围内。HPR1000PCS 启动压力为 0.24MPa，所开发的 PCS 程序能够较为准确地模拟事故状态下 PCS 的运行。2.2冷凝方案验证在 CFD 计算中，含不凝性气体蒸汽冷凝模型的处理是极其重要的。一般认为，冷凝发生在近壁面第一层网格内，因此，可以通过在壁面第一层网格内或者壁面边界设置冷凝质量通量的方式完成冷凝的计算。需要注意的是，在计算求解时，需判断壁面温度对应的饱和蒸汽压力是否小于近壁面水蒸汽分压，同时需判断壁面温度是否小于近壁面水蒸汽温度，如满足以上条件则判定会发生冷凝。King19对平板冷凝模型开展了计算分析，并给出了理论值，分析模型如图 3 所示。本文即采用在壁面第一层网格设置冷凝通量的方法对 Sparrow 等的计算开展 CFD 计算分析。空气+水蒸气汽液交界面冷凝平板TW图3平板冷凝模型对图3 所示的模型开展二维计算，取平板温度为定壁温330K，入口流速为0.5m/s，压力为101325Pa，入口水蒸汽体积分数分别为 0.5 和 0.75、水蒸汽温度分别为 360 和 369K 这 2 种工况。本文通过CFD 计算得到的值与 Sparrow 等给出的参考值对比如图 4 所示。0.0010.010.110.0010.01参考值(水蒸气质量分数:0.5,水蒸汽温度:360 K)计算值(水蒸气质量分数:0.5,水蒸汽温度:360 K)参考值(水蒸气质量分数:0.75,水蒸汽温度:360 K)计算值(水蒸气质量分数:0.75,水蒸汽温度:360 K)冷凝速率/kg/(m2s)0.1110板长度方向距离/m0.0001图4CFD 计算值与参考值对比由图 4 可知，CFD 计算的壁面冷凝通量与参考值符合较好，只在入口 1mm 位置附近出现了计算值略低于参考值的情况。因此，在壁面第一层网格采用冷凝通量的方法可以很好地模拟壁面附近水蒸汽冷凝过程。2.3耦合方法PCS 程序与 STAR-CCM+程序之间需要完成数据的传递。首先，需要将 STAR-CCM+计算得到的域内的温度、压力、气体组分等信息传递给PCS 程序；PCS 程序计算完成后再将结果传递给STAR-CCM+程 序。在 STAR-CCM+程 序 PCS 壁面第一层网格或 PCS 壁面，将 PCS 程序计算得到的能量源项和质量源项以热阱的形式减掉，具体如图 5 所示。也可只将 PCS 程序计算得到的壁面温度赋值给 STAR-CCM+程序，PCS 的冷凝换量通过式（1）获得。输入:壳侧温度壳侧压力壳侧气体组分输出:换热器功率换热管壁温输出:壳侧温度壳侧压力壳侧气体组分输入:需剔除的能量源项需剔除的质量源项换热管壁温边界数据交换用户自定义程序PCS 系统程序(管道侧)STAR-CCM+程序(安全壳侧)水蒸汽冷凝量图5PCS 系统程序与 STAR-CCM+程序数据交换为了完成以上过程的数据传递，需要使用C+程 序 编 写 用 户 自 定 义 程 序，该 程 序 会 从STAR-CCM+读取所需的环境参数信息，并传递给 PCS 程序，待 PCS 程序计算完成后将计算结果传递给 STAR-CCM+开始下一步迭代，从而完成数据交换。2 个程序的耦合计算发生在 STAR-CCM+程序的每个时间步长内。3计算结果及分析在耦合计算研究中，以换热面积相当的原则，将 PCS 换热器等效为沿圆周分布的一系列管束。为了节省计算资源，取罐体的 1/4 体积作为计算域，具体如图 6 所示。假设罐体内初始全部为空气，温度为 35。155 的水蒸汽以 0.25g/s 的质量流量喷入罐体内，为了兼顾计算速度，STAR-CCM+程序每迭代10 步调用 1 次 PCS 程序。28应用科技第50卷(a)全模型(b)1/4 模型图6耦合计算模型PCS 冷凝速率和罐体内气体体积分数如图 7所示。00.20.40.60.81.050100 150 200时间/s00.10.20.3冷凝速率/(kg/s)空气体积分数水蒸气体积分数冷凝速率250 300 350 400体积分数图7PCS 冷凝速率及罐体内气体组分由图 7 可知，在初始时刻罐体内只有空气，随着水蒸汽的不断注入，罐体内水蒸汽体积分数逐渐升高，最终罐体内空气和水蒸汽体积分数达到平衡状态。与此同时，PCS 的冷凝速率在开始时刻为 0，约 20s后 PCS 开始出现冷凝速率并逐渐增大，最终达到比蒸汽注入速率略低的水平并维持在动态平衡状态。分别对有 PCS 作用和无 PCS 作用下罐体内的温度、压力开展计算如图 8 所示。0.450.300.15压力/MPa温度/020015050100050100 150 200时间/s250 300 350有 PCS 时压力无 PCS 时压力无 PCS 时温度有 PCS 时温度400图8壳内平均压力和温度变化曲线由图 8 可知，随着水蒸汽的喷入，罐体内压力、温度迅速上升。考虑 PCS 的工况下，罐体内的温度和压力可以得到有效控制，而对比工况中，PCS 不动作时罐体内的压力、温度维持持续上升趋势。考虑 PCS 作用情况下，罐体内的温度最终维持在约 142，罐体内的压力维持在约0.33Pa。输出 PCS 周围的温度场和水蒸气体积分数场如图 9 所示。(b)温度场水蒸汽体积分数温度/0.700.650.600.550.500.45145141137133129125(a)水蒸气体积分数场图9PCS 周围水蒸汽浓度场和温度场由图 9 可知，在水蒸汽冷凝和壁面对流换热双重作用下，近壁面网格内温度最低，向外扩展温度慢慢升高。PCS 近壁面的水蒸汽浓度较低，且靠近喷放口的一侧 PCS 近壁面水蒸汽体积分数低于靠近容器壁一侧。这主要是由于自罐体中心线位置喷入的蒸汽在上升过程中不断卷吸周围的气体，待水蒸汽达到顶部并与顶部接触后折返到达 PCS 壁面周围，再向下运动，促使罐体内的空气在罐体下部沉积。4结论本研究针对 HPR1000PCS 程序开展与 STAR-CCM+程序的耦合计算方法研究，得到如下结论：1）所开发的 PCS 程序能够较为准确地模拟事故状态下 PCS 的运行，计算值与实验值的绝大部分误差在20%范围内。2）通过在传热管壁面附近第一层网格内设置冷凝通量的方案是可行的，且 CFD 计算值与分析值符合较好。3）本研究所建立的 PCS 程序与 STAR-CCM+程序耦合计算方法能够用于后续 HPR1000 及华龙后续机型的 PCS 研究。参考文献：SPARROWEM,MINKOWYCZWJ,SADDYM.Forcedconvectioncondensationinthepresenceof1第4期李精精，等：“华龙一号”非能动安全壳热量导出系统程序与 STAR-CCM+程序耦合计算方法29noncondensablesandinterfacialresistanceJ.Internationaljournal of heat and mass transfer,1967,10(12):18291845.文杰,梁木子,张会武,等.含有不可凝结气体的蒸汽壁面冷凝的数值模拟 J.上海交通大学学报,2009,43(2):299303.2REVANKARST,POLLOCKD.Laminarfilmcondensation in a vertical tube in the presence of no-ncondensable gasJ.Applied mathematical modelling,2005,29(4):341359.3KUHN S Z,SCHROCK V E,PETERSON P F.Aninvestigation of condensation from steam-gas mixturesflowing downward inside a vertical tubeJ.Nuclearengineeringanddesign,1997,177(1/2/3):5369.4RAVVA S R,IYER K N,GUPTA S K,et al.ImplementationandvalidationofthecondensationmodelforcontainmenthydrogendistributionstudiesJ.Nuclearengineeringanddesign,2014,270:3447.5PUNETHAM,KHANDEKARS.ACFDbasedmodellingapproachforpredictingsteamcondensationinthepresenceof non-condensable gasesJ.Nuclear engineering anddesign,2017,324:280296.6MARTN-VALDEPEASJM,JIMNEZMA,MARTN-FUERTES F,et al.Comparison of 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