直管式直流蒸汽發(fā)生器的熱工水力特性分析與計(jì)算

1、第17卷第2期核科學(xué)與工程1997年6月ChineseJournalofNuclearScienceandEngineeringVo1.17No.2Jun.1997賈斗南喻真烷蘇光輝郭玉君(西安交通大學(xué))摘要采用可移動(dòng)邊界差分法對(duì)流體的基本守恒方程進(jìn)行差分,將流體各參數(shù)及節(jié)點(diǎn)的位置轉(zhuǎn)化為時(shí)間的函數(shù),通過(guò)設(shè)定各傳熱區(qū)間邊界點(diǎn)的特征,求出各傳熱區(qū)的長(zhǎng)度及邊界點(diǎn)。選用了合適的傳熱關(guān)系式,編制了直流蒸汽發(fā)生器的穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)熱工水力特性分析計(jì)算程序MOFS,對(duì)B&W公司的19管直管式直流蒸汽發(fā)生器實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算,與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取得了很好的一致,與TRAC2PF1等計(jì)算程序的計(jì)算結(jié)果符合也很好。關(guān)

2、鍵詞直流式蒸汽發(fā)生器可移動(dòng)邊界熱工水力特性預(yù)測(cè)1引言直流蒸汽發(fā)生器在快堆、壓水堆、氣冷堆中都有很廣泛的應(yīng)用,在鈉冷快堆中,一般采用換向套管式換熱器,其一次側(cè)為液態(tài)鈉,通過(guò)換向套管改變流動(dòng)方向,與二次側(cè)的水進(jìn)行熱交換。在壓水堆中采用直管式直流蒸汽發(fā)生器。一次側(cè)水由上向下流動(dòng),二次側(cè)水由下向上流動(dòng)。在一體化堆型中,將堆芯、蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器都集中在壓力容器中,這時(shí)采用直流蒸汽發(fā)生器比較方便。與U型管式自然循環(huán)蒸汽發(fā)生器相比,直流式蒸汽發(fā)生器由于產(chǎn)生的是過(guò)熱蒸汽,不需要進(jìn)行汽水分離,對(duì)汽輪機(jī)的要求也降低,可以采用常規(guī)汽輪機(jī),不必采用龐大的飽和蒸汽汽輪機(jī)。但其傳熱情況比自然循環(huán)式蒸汽發(fā)生器復(fù)雜,其二次

3、側(cè)包括過(guò)冷水、過(guò)冷沸騰、飽和泡核沸騰、強(qiáng)制對(duì)流蒸發(fā)、缺液區(qū)和過(guò)熱蒸汽等6種傳熱工況,各種工況下的工質(zhì)與壁面的傳熱機(jī)制相差很大。如果采用固定邊界差分法來(lái)離散流體守恒方程,各節(jié)點(diǎn)的位置不變,將找不準(zhǔn)各傳熱區(qū)的界限,同一個(gè)控制體內(nèi)可能會(huì)出現(xiàn)兩種傳熱機(jī)制相差很大的工況。在這種控制體內(nèi),如果選用同一個(gè)傳熱關(guān)系式都會(huì)引起較大的計(jì)算誤差。并且,由于傳熱機(jī)制的突變,造成計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)突變,人為的造成解的不連續(xù)。解決這個(gè)問(wèn)題只能采用把控制體劃細(xì),增加控制體數(shù)目的辦法,文獻(xiàn)1,2即是采用這樣的方法,但這樣會(huì)造成計(jì)算量過(guò)大。而采用可移動(dòng)邊界差分法,將兩個(gè)控制體之間的界面定在兩種換熱工況的交界面上,同一控制體內(nèi)傳熱機(jī)制

4、相3本文工作得到核工業(yè)科學(xué)基金經(jīng)費(fèi)資助。1996年2月10日收到。97同,這樣就可以避免這種誤差。本文采用了可移動(dòng)邊界有限差分法編制了計(jì)算程序MOFS,應(yīng)用于直管式直流蒸汽發(fā)生器的熱工水力計(jì)算。并與B&W公司的實(shí)驗(yàn)裝置的穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較,取得了很好的一致。2計(jì)算模型211基本控制方程基本假設(shè)(1),;(2)沿管長(zhǎng)方向流量不變;(3);(4),忽略?xún)上嚅g摩擦力作功;(5)。:質(zhì)量守恒方程:=05t(2)動(dòng)量守恒方程:=-u+r-tZZ()(能量守恒方程:-=-Gh2)+ttZA壁溫方程:A=qPCP5t=(1-)對(duì)兩相流而言:f+gug+)ufG=gf(1-2u2=u2g+)ufg

5、f(1-方程中h1、h2為推導(dǎo)混和物模型能量守恒方程時(shí)產(chǎn)生:h+)h(1-h1=+)gf(1-hu+)hu(1-h2=ug+)ufgf(1-r包括重力、摩擦和局部壓降212可移動(dòng)邊界差分理論由以上的控制方程可以看出其基本形式為t=-+f3?？梢越忉尀槿鐖D1所示情況,設(shè)控制Z體流通面為單位面積,控制體為i,上界面位置為Zj+1,下界面位置為Zj,f1為控制體內(nèi)物質(zhì)密度,f2為通過(guò)界面的物質(zhì)流量,f3為源。則單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)上界面流出控制體的物質(zhì)流量為f2,j+1,通過(guò)下界面流入的物質(zhì)流量為f2,j。由于上界面位置Zj+1的圖1可移動(dòng)邊界理論示意圖Fig.1Schematicdiagramofmov

6、able運(yùn)動(dòng)而獲得的物質(zhì)量為f1,j+1,由于下界面位dtboundarymodel(1)(2)(3)(4)98置Zj的運(yùn)動(dòng)而失去的物質(zhì)量為f1,jd(fZi)質(zhì)量變化為dt根據(jù)守恒原理,可列出方程Z,控制體內(nèi)由源產(chǎn)生的物質(zhì)量為f3,iZi,控制體內(nèi)總物dt(Z)=f1,j+1-f1,j-f2,j1+f2,3,iidtdtdt(5)通過(guò)(5)式,界面點(diǎn)位置可表示為時(shí)間的函數(shù)。213可移動(dòng)邊界控制方程(3)、(4)式用(5)將(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化簡(jiǎn)得:iZii-+-j+1(hj+1-hi)j(hj-hi)dtdtdtdt=G(hj-hj+1)+壁溫方程:AZi=+(Tj+1-Ti)+(Ti-Tj)dtACpdtdt(8)(9)214傳熱模型(1)單相水:采用Sieder2Tate關(guān)系式(2)過(guò)冷沸騰:采用陳氏公式的延伸公式(3)飽和泡核沸騰與強(qiáng)制對(duì)流蒸發(fā)傳熱:采用陳氏公式(4)臨界熱流密度:G>100kg/(m2s)時(shí),采用Biasi公式;2G100kg/(ms)時(shí),采用Zuber池式沸騰臨界熱流密度公式的修正式(5)缺液區(qū)的換熱:G>100kg/(m2s)時(shí),采用Groneveld517公式;G100k

8、g/(m2s)時(shí),采用修正Bromley公式(6)單相蒸汽:采用Sieder2Tate關(guān)系式(7)空泡份額:采用Rouhani修正的漂移流模型215各控制體界面點(diǎn)的選取設(shè)第n1個(gè)節(jié)點(diǎn)為二次側(cè)飽和水點(diǎn),取這一點(diǎn)的熱平衡含氣量為x=0;設(shè)第n2個(gè)節(jié)點(diǎn)為二次側(cè)飽和蒸汽點(diǎn),取這一點(diǎn)的熱平衡含氣量為x=1;設(shè)第n3個(gè)節(jié)點(diǎn)為燒干點(diǎn)。一次側(cè)各節(jié)點(diǎn)的位置與二次側(cè)各節(jié)點(diǎn)的位置相同。216方程組求解方法(7)、(8)、(9),加以給定邊界條由于基本守恒方程已由可移動(dòng)邊界法化為常微分方程(6)、件,方程組可以閉合,本文選用解剛性常微分方程組的Gear算法進(jìn)行求解。993給定邊界、結(jié)構(gòu)條件及穩(wěn)態(tài)解結(jié)果分析采用可移動(dòng)邊

9、界差分法及以上換熱關(guān)系式及節(jié)點(diǎn)劃分法編制了熱工水力程序MOFS,可應(yīng)用于直管式直流蒸汽發(fā)生器的穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)計(jì)算。文獻(xiàn)1所介紹的B&W公司的直管式蒸汽發(fā)生器實(shí)驗(yàn)裝置橫截面如圖所示,其管長(zhǎng)為1519m,熱用因科鎳,用三角外徑15187mm,內(nèi)徑13194mm,柵距2212mm。本文選取了文獻(xiàn)1及文獻(xiàn)3所載的兩種工況進(jìn)行了計(jì)算。圖2直流式蒸汽發(fā)生器載面圖工況1邊界條件為:Fig.2Crosssectionofonce2throughsteamgenerator一次側(cè)入口溫度331.7流量11.77kg/s壓力15.3MPa二次側(cè)給水溫度251.7流量1.18kg/s壓力7.4MPa工況2邊界條

10、件為:一次側(cè)入口溫度304.7流量11.417kg/s壓力15.38MPa二次側(cè)給水溫度211.1流量0.7939kg/s壓力7.315MPa計(jì)算結(jié)果如圖3,圖4所示。圖3為工況1的計(jì)算溫度分布與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)照。采用8個(gè)圖3直流式蒸汽發(fā)生器一、二次側(cè)溫度分布(1)Fig.3Theprimaryandsecondarytemperaturedistribu2tionofonce2throughsteamgenerator(Variant1)圖4直流式蒸汽發(fā)生器一、二次側(cè)溫度分布(2)Fig.4Theprimaryandsecondarytemperaturedistribu2tionofonce2

11、throughsteamgenerator(Variant2)100節(jié)點(diǎn)計(jì)算,計(jì)算出其二次側(cè)出口溫度為322.2,而實(shí)驗(yàn)值為323.21,兩者相差僅1。從圖3上可以看出不僅二次側(cè)出口溫度與實(shí)驗(yàn)值相差極小,而且一、二次側(cè)的各個(gè)點(diǎn)都與實(shí)驗(yàn)值符合得相當(dāng)好。這可以證明計(jì)算所得各傳熱區(qū)的劃分是相當(dāng)準(zhǔn)確的,各種傳熱工況的傳熱計(jì)算是正確的。文獻(xiàn)1中采用TRAC2PF1/MOD1程序分別采用10、20、40個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算,其10、20個(gè)節(jié)點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值相差較大,其40個(gè)節(jié)點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果與近,文獻(xiàn)2采用400個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算與MOFS圖4為工況2的計(jì)算結(jié)果,3、4的計(jì)算結(jié)果也相當(dāng)一致。型是正確的,并且由于它采

12、用的節(jié)點(diǎn)數(shù),因此可節(jié)約大量的時(shí)間。4結(jié)論1)可移動(dòng)邊界差分法,不僅可以準(zhǔn)確決定各傳熱區(qū)的界面,而且可以減少節(jié)點(diǎn)數(shù),節(jié)約計(jì)算時(shí)間。2)本文采用的傳熱公式是可信的。3)MOFS程序可以較好的模擬直管式直流蒸汽發(fā)生器的熱工水力特性。符號(hào)表(采用國(guó)際單位制)A:面積Cp:定壓比熱容De:水力等效直徑DR:管直徑G:質(zhì)量流速hfg:汽化潛熱h:比焓(或傳熱系數(shù))k:流體熱導(dǎo)率L:流道長(zhǎng)度p:壓力Pr:普郎特?cái)?shù)q:熱流密度Re:雷諾數(shù)T:溫度P:濕周u:流速W:質(zhì)量流量x:質(zhì)量含氣量Z:軸向坐標(biāo)希臘文符號(hào):空泡份額:表面張力下標(biāo):liq:液相g:飽和汽sat:飽和:動(dòng)力粘度:密度f(wàn):飽和水wall:壁面1

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

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