A Study on the Thermal Stratification Phenomena of Pressurizer Surge Line for Pressurized Water Reactor.pdf

1、壓水反應(yīng)堆是核動(dòng)力裝置中最常見的反應(yīng)堆堆型，目前世界上在役的435座反應(yīng)堆中有270座是壓水反應(yīng)堆。壓水反應(yīng)堆通常由兩個(gè)回路組成，即一回路和二回路。穩(wěn)壓器通過波動(dòng)管與壓水反應(yīng)堆一回路相連，是壓水堆中的關(guān)鍵設(shè)備。任何波動(dòng)管的破損都將會(huì)影響到一回路的完整性，并進(jìn)而損害反應(yīng)堆的正常運(yùn)行。熱分層是在壓水反應(yīng)堆穩(wěn)壓器波動(dòng)管中常見的一種現(xiàn)象，表現(xiàn)為從穩(wěn)壓器中流出的熱水位于波動(dòng)管內(nèi)的冷流體之上，從而形成隨時(shí)間變化的管道溫度波動(dòng)，并可能導(dǎo)致波動(dòng)管的熱疲

2、勞失效。國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA）認(rèn)為由于熱分層形成的載荷是施加于穩(wěn)壓器波動(dòng)管上的最重要的載荷。
　　本文工作旨在理解發(fā)生于穩(wěn)壓器波動(dòng)管中的熱分層現(xiàn)象。本文選取KORI I反應(yīng)堆穩(wěn)壓器波動(dòng)管模型作為研究對(duì)象，首先采用CFD模擬分析的方法，利用ANSYS-CFX研究了穩(wěn)壓器波動(dòng)管內(nèi)流體及波動(dòng)管溫度的瞬態(tài)分布。然后基于ANSYS Workbench平臺(tái)，將計(jì)算得到的溫度分布直接轉(zhuǎn)化為應(yīng)力分析的溫度載荷，并完成了穩(wěn)壓器波動(dòng)管在考慮熱分層

3、效應(yīng)條件下的應(yīng)力分布特性。最后利用ASME規(guī)范第三篇的設(shè)計(jì)曲線，對(duì)穩(wěn)壓器波動(dòng)管在考慮熱分層效應(yīng)條件下的累積使用因子進(jìn)行了計(jì)算。文中對(duì)速度、布置方式等影響穩(wěn)壓器波動(dòng)管內(nèi)熱分層現(xiàn)象的關(guān)鍵因素也進(jìn)行了研究和深入的討論。
　　本文在對(duì)不同結(jié)構(gòu)和工況下的流場(chǎng)進(jìn)行模擬時(shí)，對(duì)比分析了標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型, RNG k-ε模型和SST模型對(duì)流場(chǎng)計(jì)算的影響。結(jié)果表明：相比于其他兩種湍流模型，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型時(shí)，由于無法準(zhǔn)確模擬流線彎曲的影響，計(jì)算得到的

4、內(nèi)壁上下溫差偏小；RNG k-ε模型和SST模型都可較好模擬旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，計(jì)算結(jié)果表明在相同工況條件下，采用RNG k-ε模型和SST模型得到的同一位置上的溫度差在200s后符合良好。
　　考慮到流動(dòng)速度會(huì)影響熱分層現(xiàn)象，根據(jù)壓水反應(yīng)堆中的波出流量變化情況，本文研究了四種不同波出速度工況，分別為0.01、0.05、0.1和0.2 m/s。結(jié)果表明，在上述四種工況中，隨著波出速度的增加，相同位置處波動(dòng)管內(nèi)壁上下溫度差減??；當(dāng)波出速度從0

5、.01m/s升高至0.05m/s時(shí)，最大溫差會(huì)有所升高，當(dāng)波出速度大于0.05m/s時(shí)，隨著波出速度的升高，最大溫差略有降低。
　　穩(wěn)壓器波動(dòng)管的布置方式時(shí)影響流場(chǎng)分布的重要因素，本文討論了三類不同的穩(wěn)壓器波動(dòng)管幾何模型：（1）在波動(dòng)管幾何模型中引入熱腿；（2）在包含熱腿波動(dòng)管幾何模型基礎(chǔ)上，引入整體向下傾斜5度的幾何模型；（3）在包含熱腿波動(dòng)管幾何模型基礎(chǔ)上，在0-45度范圍內(nèi)改變連接三通處波動(dòng)管傾角的幾何模型。對(duì)比有無熱腿幾何

6、模型的分析結(jié)果表明，在靠近穩(wěn)壓器附近的監(jiān)測(cè)截面上，在有無熱腿兩種幾何模型中，內(nèi)壁上下溫差相似；與僅考慮波動(dòng)管的幾何相比，在引入熱腿后的波動(dòng)管幾何模型中，在靠近熱腿的監(jiān)測(cè)截面上，波動(dòng)管內(nèi)壁上下溫度差有所增長(zhǎng)。例如在沒有熱腿情況下，監(jiān)測(cè)截面e-e`和f-f`內(nèi)壁上下溫差大約為30℃，而在引入熱腿后，監(jiān)測(cè)截面e-e`和f-f`內(nèi)壁上下溫差分別變?yōu)?0℃和48℃。通過分析認(rèn)為，這主要是因?yàn)闊嵬葍?nèi)冷卻劑的流動(dòng)對(duì)穩(wěn)壓器波動(dòng)管內(nèi)冷卻劑流場(chǎng)的影響。通過

7、分析整體傾角的計(jì)算結(jié)果，表明引入整體傾角后，在靠近穩(wěn)壓器附近的監(jiān)測(cè)截面上，內(nèi)壁上下溫差有所減??；而在靠近熱腿附近的監(jiān)測(cè)截面上，內(nèi)壁上下溫差則有所增加。此外，計(jì)算結(jié)果也表明，增加連接三通處波動(dòng)管與水平面之間的角度，對(duì)靠近穩(wěn)壓器側(cè)的波動(dòng)管內(nèi)流場(chǎng)幾乎沒有影響，因此對(duì)附近截面上的溫差幾乎沒有影響；相反，當(dāng)改變連接三通處波動(dòng)管與水平面之間夾角后，在三通附近的流場(chǎng)有明顯變化；當(dāng)連接三通處波動(dòng)管與水平面之間夾角達(dá)到45度時(shí)，在穩(wěn)壓器波動(dòng)管的中上部區(qū)域