直管式直流蒸汽发生器的热工水力特性分析与计算

1、第17卷第2期核科学与工程1997年6月ChineseJournalofNuclearScienceandEngineeringVo1.17No.2Jun.1997贾斗南喻真烷苏光辉郭玉君(西安交通大学)摘要采用可移动边界差分法对流体的基本守恒方程进行差分,将流体各参数及节点的位置转化为时间的函数,通过设定各传热区间边界点的特征,求出各传热区的长度及边界点。选用了合适的传热关系式,编制了直流蒸汽发生器的稳态及瞬态热工水力特性分析计算程序MOFS,对B&W公司的19管直管式直流蒸汽发生器实验装置进行稳态计算,与实验数据取得了很好的一致,与TRAC2PF1等计算程序的计算结果符合也很好。关

2、键词直流式蒸汽发生器可移动边界热工水力特性预测1引言直流蒸汽发生器在快堆、压水堆、气冷堆中都有很广泛的应用,在钠冷快堆中,一般采用换向套管式换热器,其一次侧为液态钠,通过换向套管改变流动方向,与二次侧的水进行热交换。在压水堆中采用直管式直流蒸汽发生器。一次侧水由上向下流动,二次侧水由下向上流动。在一体化堆型中,将堆芯、蒸汽发生器、稳压器都集中在压力容器中,这时采用直流蒸汽发生器比较方便。与U型管式自然循环蒸汽发生器相比,直流式蒸汽发生器由于产生的是过热蒸汽,不需要进行汽水分离,对汽轮机的要求也降低,可以采用常规汽轮机,不必采用庞大的饱和蒸汽汽轮机。但其传热情况比自然循环式蒸汽发生器复杂,其二次

3、侧包括过冷水、过冷沸腾、饱和泡核沸腾、强制对流蒸发、缺液区和过热蒸汽等6种传热工况,各种工况下的工质与壁面的传热机制相差很大。如果采用固定边界差分法来离散流体守恒方程,各节点的位置不变,将找不准各传热区的界限,同一个控制体内可能会出现两种传热机制相差很大的工况。在这种控制体内,如果选用同一个传热关系式都会引起较大的计算误差。并且,由于传热机制的突变,造成计算结果出现突变,人为的造成解的不连续。解决这个问题只能采用把控制体划细,增加控制体数目的办法,文献1,2即是采用这样的方法,但这样会造成计算量过大。而采用可移动边界差分法,将两个控制体之间的界面定在两种换热工况的交界面上,同一控制体内传热机制

4、相3本文工作得到核工业科学基金经费资助。1996年2月10日收到。97同,这样就可以避免这种误差。本文采用了可移动边界有限差分法编制了计算程序MOFS,应用于直管式直流蒸汽发生器的热工水力计算。并与B&W公司的实验装置的稳态实验结果进行了比较,取得了很好的一致。2计算模型211基本控制方程基本假设(1),;(2)沿管长方向流量不变;(3);(4),忽略两相间摩擦力作功;(5)。:质量守恒方程:=05t(2)动量守恒方程:=-u+r-tZZ()(能量守恒方程:-=-Gh2)+ttZA壁温方程:A=qPCP5t=(1-)对两相流而言:f+gug+)ufG=gf(1-2u2=u2g+)ufg

5、f(1-方程中h1、h2为推导混和物模型能量守恒方程时产生:h+)h(1-h1=+)gf(1-hu+)hu(1-h2=ug+)ufgf(1-r包括重力、摩擦和局部压降212可移动边界差分理论由以上的控制方程可以看出其基本形式为t=-+f3。可以解释为如图1所示情况,设控制Z体流通面为单位面积,控制体为i,上界面位置为Zj+1,下界面位置为Zj,f1为控制体内物质密度,f2为通过界面的物质流量,f3为源。则单位时间内通过上界面流出控制体的物质流量为f2,j+1,通过下界面流入的物质流量为f2,j。由于上界面位置Zj+1的图1可移动边界理论示意图Fig.1Schematicdiagramofmov

6、able运动而获得的物质量为f1,j+1,由于下界面位dtboundarymodel(1)(2)(3)(4)98置Zj的运动而失去的物质量为f1,jd(fZi)质量变化为dt根据守恒原理,可列出方程Z,控制体内由源产生的物质量为f3,iZi,控制体内总物dt(Z)=f1,j+1-f1,j-f2,j1+f2,3,iidtdtdt(5)通过(5)式,界面点位置可表示为时间的函数。213可移动边界控制方程(3)、(4)式用(5)将(1)、d()-+=0j+1jddtdt:d(d(ph)Z)()-h+h+p-ij+1j+1jjdtdtdtdtdtdt=G(hj-hj+1)+A(6)(7)(7)-(6)

7、×hi化简得:iZii-+-j+1(hj+1-hi)j(hj-hi)dtdtdtdt=G(hj-hj+1)+壁温方程:AZi=+(Tj+1-Ti)+(Ti-Tj)dtACpdtdt(8)(9)214传热模型(1)单相水:采用Sieder2Tate关系式(2)过冷沸腾:采用陈氏公式的延伸公式(3)饱和泡核沸腾与强制对流蒸发传热:采用陈氏公式(4)临界热流密度:G>100kg/(m2s)时,采用Biasi公式;2G100kg/(ms)时,采用Zuber池式沸腾临界热流密度公式的修正式(5)缺液区的换热:G>100kg/(m2s)时,采用Groneveld517公式;G100k

8、g/(m2s)时,采用修正Bromley公式(6)单相蒸汽:采用Sieder2Tate关系式(7)空泡份额:采用Rouhani修正的漂移流模型215各控制体界面点的选取设第n1个节点为二次侧饱和水点,取这一点的热平衡含气量为x=0;设第n2个节点为二次侧饱和蒸汽点,取这一点的热平衡含气量为x=1;设第n3个节点为烧干点。一次侧各节点的位置与二次侧各节点的位置相同。216方程组求解方法(7)、(8)、(9),加以给定边界条由于基本守恒方程已由可移动边界法化为常微分方程(6)、件,方程组可以闭合,本文选用解刚性常微分方程组的Gear算法进行求解。993给定边界、结构条件及稳态解结果分析采用可移动边

9、界差分法及以上换热关系式及节点划分法编制了热工水力程序MOFS,可应用于直管式直流蒸汽发生器的稳态及瞬态计算。文献1所介绍的B&W公司的直管式蒸汽发生器实验装置横截面如图所示,其管长为1519m,热用因科镍,用三角外径15187mm,内径13194mm,栅距2212mm。本文选取了文献1及文献3所载的两种工况进行了计算。图2直流式蒸汽发生器载面图工况1边界条件为:Fig.2Crosssectionofonce2throughsteamgenerator一次侧入口温度331.7流量11.77kg/s压力15.3MPa二次侧给水温度251.7流量1.18kg/s压力7.4MPa工况2边界条

10、件为:一次侧入口温度304.7流量11.417kg/s压力15.38MPa二次侧给水温度211.1流量0.7939kg/s压力7.315MPa计算结果如图3,图4所示。图3为工况1的计算温度分布与实验值的对照。采用8个图3直流式蒸汽发生器一、二次侧温度分布(1)Fig.3Theprimaryandsecondarytemperaturedistribu2tionofonce2throughsteamgenerator(Variant1)图4直流式蒸汽发生器一、二次侧温度分布(2)Fig.4Theprimaryandsecondarytemperaturedistribu2tionofonce2

11、throughsteamgenerator(Variant2)100节点计算,计算出其二次侧出口温度为322.2,而实验值为323.21,两者相差仅1。从图3上可以看出不仅二次侧出口温度与实验值相差极小,而且一、二次侧的各个点都与实验值符合得相当好。这可以证明计算所得各传热区的划分是相当准确的,各种传热工况的传热计算是正确的。文献1中采用TRAC2PF1/MOD1程序分别采用10、20、40个节点进行计算,其10、20个节点的计算结果与实验值相差较大,其40个节点的计算结果与近,文献2采用400个节点进行计算与MOFS图4为工况2的计算结果,3、4的计算结果也相当一致。型是正确的,并且由于它采

12、用的节点数,因此可节约大量的时间。4结论1)可移动边界差分法,不仅可以准确决定各传热区的界面,而且可以减少节点数,节约计算时间。2)本文采用的传热公式是可信的。3)MOFS程序可以较好的模拟直管式直流蒸汽发生器的热工水力特性。符号表(采用国际单位制)A:面积Cp:定压比热容De:水力等效直径DR:管直径G:质量流速hfg:汽化潜热h:比焓(或传热系数)k:流体热导率L:流道长度p:压力Pr:普郎特数q:热流密度Re:雷诺数T:温度P:湿周u:流速W:质量流量x:质量含气量Z:轴向坐标希腊文符号:空泡份额:表面张力下标:liq:液相g:饱和汽sat:饱和:动力粘度:密度f:饱和水wall:壁面1

13、01参考文献1Y.A.Hassan.ThermalHydraulicPredictionsofa192TubeOnce2ThroughSteamGeneratorTestingUsingTRAC2PF1.In:S.M.Cho.A.J.FriedlandD.A.Steiningereds.TheramlHydraulicsandEffectsofNuclearSteamGeneratorsandHeatExchang2ers,TheWinterAnnualMeetingoftheASME,Miami,1985.NewYork:ASME,1985:93.2MasahiroOsarabe.Therm

14、al2HydraulicStudyofIntegratedSteamGeneratorinJ.ofNucl.,1990,26(2):286.3G.J.VanTuyle,J.C.Lee.LinearizedTransientAnalysisofNuclear,198075:225.4W.E.Benett,J.P.Sursock.Once2ThroughSteamGSystem.In:T.N.Veziroglu,ed.A.E.Bergles,Multi2phaseFlowandHeatrMulti2phaseFlowandHeatTransferMeeting,Amsterdam:V.1984.4

15、7.HYDRAULICPREDICTIONSOF-THROUGHSTEAMGENERATORXIEHENGZHANGJINLINJIADOUNANQIUHUIZHENGYUZHENWANSUGUANGHUIGUOYUJUN(XianJiaotongUniversity)(Manuscriptreceived10February,1996)ABSTRACTAmovableboundaryspatialdiscretizationtechniquehasbeenusedtotranslatethebasicfluidconservationequationsintomovableboundaryformulation.Aboundarytreatmentalgorithmisde2velopedtoplaceandtrackboundariesbetweenheattransferregimesonthesecondarysideofasteamgenerator.Withsuitableheattransfercorrelationschosen,aprogramisdevelopedtopre2dictthethermal