【CAE案例】反应堆厂房内温度场计算

01 研究背景

核电站正常运行期间,核反应堆厂房内的温度较高,即使停堆后,此区域的温度仍然维持在较高的水平。在停堆期间,高温使得此区域维修工作无法正常进行,导致维修工期延长,因而需要设计辅助手段来给反应堆厂房内降温。数值模拟方法对于方案的设计与验证提供了有力工具。

此算例的目的是通过code_saturne来模拟反应堆厂房内的温度场,研究反应堆部分设备的改变对整个反应堆厂房温度造成的影响。

02 研究方法

网格划分

对整个反应堆厂房建模,计算区域共包含33万个四面体网格。

【CAE案例】反应堆厂房内温度场计算的图1

计算工况

【CAE案例】反应堆厂房内温度场计算的图2

求解算法

湍流模型选用k~ε两方程模型;前三种工况,采用SIMPLE算法,迭代70000次;对于工况4,固定工况1得到的速度场和压力场,采用SIMPLEC算法,时间步长设为2s,模拟时长设为36小时。

边界条件

压力容器和蒸汽发生器壁面设为热流边界条件,其他壁面均设为绝热边界条件;对于第四种工况,将其中一个蒸汽发生器壁面设置为变温度边界条件。此外,进口边界条件设置为正流速或负流速,出口设置为自由出口。

探测位置

计算过程中,在下图所示的位置设置了三个探测点用于监控计算过程和分析模拟结果,

【CAE案例】反应堆厂房内温度场计算的图3

03 模拟结果

从下图中可以看出,当进口空气温度增加5°C后,反应堆厂房内空气的温度会随之增加4~5°C。

【CAE案例】反应堆厂房内温度场计算的图4

当使用4个安全壳连续通风系统(EVR)时,厂房内的温度会下降5~6°C。

【CAE案例】反应堆厂房内温度场计算的图5

当以5°C/h的速率降低其中一台蒸汽发生器外表面温度时,可以显著降低厂房内的温度。

【CAE案例】反应堆厂房内温度场计算的图6

下图是计算模拟得到的工况1与工况4对比云图,

【CAE案例】反应堆厂房内温度场计算的图7

【CAE案例】反应堆厂房内温度场计算的图8

【CAE案例】反应堆厂房内温度场计算的图9

04 研究结论

code_saturne可成功地对反应堆厂房内的气动热力学行为进行建模,通过模拟结果可以看出,

1. 堆芯和蒸汽发生器产生的热量显著影响反应堆厂房顶部的温度分布;

2. 向反应堆中通入较高温度的空气会明显增加厂房内的温度;

3. 使用四个安全壳连续通风系统(EVR)会显著降低厂房内温度;

此外,计算过程还发现与采用非稳态模拟相比,稳态模拟会大大降低计算时间,并可以得到有实际意义的结果。


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