核電廠穩(wěn)壓器波動管熱分層分析

核電廠穩(wěn)壓器波動管熱分層分析穩(wěn)壓器波動管在壓水堆核電站中，穩(wěn)壓器波動管是穩(wěn)壓器借以維持主系統(tǒng)壓力穩(wěn)定的主要通道。波動管連接穩(wěn)壓器和冷卻劑主回路，屬于核安全1級、規(guī)范1級、抗震1I類、質(zhì)保QA1級的重要部件。2?2017ANSYS,

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2017波動管熱分層3?2017ANSYS,

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2017波動管熱分層源于其水平管段內(nèi)間歇滯止流、相對熱或冷流體泄漏或其他來流的緩慢流動且缺少充分混合。流體密度隨溫度變化，在核電站正?；虍惓９r波動流量較小的情況下，在波動管水平段中來自主回路中的冷卻劑由于溫度低、密度大，會占據(jù)波動管橫截面的下部區(qū)域；而來自穩(wěn)壓器的流體由于溫度高、密度小，會浮于波動管橫截面的上半部分。這種現(xiàn)象就是熱分層現(xiàn)象。波動管熱分層出現(xiàn)波動管熱分層的三個主要條件是：波動管有（準(zhǔn)）水平段；穩(wěn)壓器與主管道中的冷卻劑存在較大溫差；波動流量較低。熱分層現(xiàn)象主要出現(xiàn)于反應(yīng)堆啟堆和停堆過程中。4?2017ANSYS,

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2017熱分層的影響波動管熱分層是由于水平段的流體缺少充分混合而產(chǎn)生的，會使得水平管段管壁上下部產(chǎn)生較大的溫差，從而導(dǎo)致波動管上下部膨脹程度不一致，波動管出現(xiàn)較大非預(yù)期位移。5?2017ANSYS,

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2017熱分層的影響熱分層導(dǎo)致的這種變形不協(xié)調(diào)會導(dǎo)致波動管中出現(xiàn)總體彎曲應(yīng)力、局部熱應(yīng)力和非預(yù)期的大位移及支承反力。另外流體的流動會導(dǎo)致波動管內(nèi)分層界面產(chǎn)生類似于表面波的震蕩現(xiàn)象，即熱紋震蕩（thermalstriping）

。這種震蕩會對管壁產(chǎn)生周期性的局部熱瞬態(tài)，可能會使得波動管產(chǎn)生局部的熱疲勞。6?2017ANSYS,

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2017熱分層的分析流程設(shè)計(jì)階段使用ANSYS對波動管熱分層分析的流程圖波動管布置波動管應(yīng)力分析波動管熱分層CFD分析流場邊界條件熱分層及應(yīng)力分布情況結(jié)果反饋Structural靜態(tài)分析7?2017ANSYS,

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2017CFX或Fluent瞬態(tài)分析熱分層分析的理論背景波動管內(nèi)熱分層流動實(shí)際上是考慮了浮力項(xiàng)的湍流流動；考慮瞬態(tài)不可壓縮流的Reynolds時均方程：其中????????

為Reynolds應(yīng)力；?????為湍流通量；通過?；蛘咧苯忧蠼膺@兩項(xiàng)可以建立不同的湍流模型。8?2017ANSYS,

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2017熱分層分析的理論背景κ-ε湍流模型9?2017ANSYS,

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2017Realizable

κ-ε湍流模型在Realizable

κ-ε湍流模型中湍動能κ的輸運(yùn)方程在形式上與標(biāo)準(zhǔn)κ-ε湍流模型中湍動能κ的表達(dá)形式相同，但不再是常數(shù)。在Realizable

κ-ε湍流模型中，對湍動能耗散率額外考慮了渦量脈動的影響，在形式上與標(biāo)準(zhǔn)κ-ε湍流模型的湍動能耗散率輸運(yùn)方程有較大區(qū)別。10?2017ANSYS,

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2017采用ANSYS

Workbench中的Fluent模塊和Static

Structural模塊進(jìn)行單向耦合。11?2017ANSYS,

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2017由于波動流體的溫度隨時間變化，密度隨溫度變化，采用UDF接口來輸入物性參數(shù)。熱分層的ANSYS分析熱分層的邊界條件12?2017ANSYS,

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2017①波動管入口流體邊界：入口流速；入口流體溫度；②主管道入口流體邊界：入口流速、入口流體溫度;③主管道出口流體邊界：出口壓強(qiáng)。熱分層分析算例13?2017ANSYS,

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2017算例一：波動管(布置方式1)在啟堆過程中的熱分層現(xiàn)象。機(jī)組啟動階段：機(jī)組從冷停堆（70℃以下，1atm）到熱備用（avg291.4℃，155atm），主要分為如下幾個階段：70℃以下，2.6MPa

（RCP系統(tǒng)動態(tài)及靜態(tài)排氣）120℃，2.6MPa

（一回路和穩(wěn)壓器溫度相同，升溫速率28K/h

）226℃，2.6MPa

（一回路溫度維持不變，穩(wěn)壓器升溫速率56K/h，波動流量70℃以下，1atm 到70℃以下，2.6MPa

到120℃，2.6MPa 到為0.656kg/s）穩(wěn)壓器剛形成汽空間到穩(wěn)壓器水位為17.6%

（一回路溫度維持120℃不變，穩(wěn)壓器側(cè)流體溫度不變，波動流量為6.56kg/s）穩(wěn)壓器水位17.6%，226

℃，

2.6MPa

，一回路120℃，2.6MPa

到

熱備用一回路291.4℃，15.5MPa，穩(wěn)壓器側(cè)345

℃，15.5MPa穩(wěn)壓器端入口流速：0.656kg/s，穩(wěn)壓器側(cè)溫度由393K升溫至501K（升溫速率為56K/h）。熱分層分析算例模型14?2017ANSYS,

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2017熱分層分析算例15?2017ANSYS,

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2017總體設(shè)置：瞬態(tài)、重力加速度；模型設(shè)置：能量方程、Realizable κ-ε湍流模型、標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)；材料參數(shù)：UDF導(dǎo)入隨時間變化溫度及密度；求解算法：PISO算法邊界條件：波動流量：0.656kg/s，溫度由393K升至500K，56K/h主管道流速：0.15m/s及6m/s兩種情況，393K出口：參考壓強(qiáng)，393K熱分層分析算例計(jì)算結(jié)果16?2017ANSYS,

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2017熱分層分析算例計(jì)算結(jié)果inlet2流速1——0.15m/s，393Kinlet2流速2——6.0m/s

，393K17?2017ANSYS,

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2017熱分層分析算例計(jì)算結(jié)果inlet2流速2——6.0m/s

，393K18?2017ANSYS,

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2017熱分層分析算例計(jì)算結(jié)果inlet2流速1——6.0m/s

，393K19?2017ANSYS,

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2017熱分層分析算例算例二：波動管（布置方式2）在算例一條件下的熱分層現(xiàn)象。模型20?2017A