01 研究背景

壓水反應(yīng)堆是美國貝蒂斯原子能實驗室開發(fā)成功的一種輕水核反應(yīng)堆，全球核電站的大多數(shù)都是壓水堆核電站。在壓水堆中，水作為主冷卻劑在高壓下被泵入反應(yīng)堆堆芯，并在其中被原子裂變釋放的能量加熱。加熱的高壓水隨后流向蒸汽發(fā)生器，將其熱能轉(zhuǎn)移到產(chǎn)生蒸汽的二次系統(tǒng)的低壓水中，然后蒸汽驅(qū)動渦輪機，渦輪機旋轉(zhuǎn)發(fā)電機。

在壓水堆中，冷卻劑質(zhì)量流量取決于蒸汽發(fā)生器的熱功率、熱端和冷端的溫度以及反應(yīng)堆冷卻泵吸收的電能，因此對壓水堆冷卻劑流量的監(jiān)測十分重要，不準(zhǔn)確的流量監(jiān)測可能會導(dǎo)致功率下降。冷卻劑流量可以由蒸汽發(fā)生器后第一個彎頭兩側(cè)之間的壓力差計算得到，因此如果可以準(zhǔn)確獲得彎頭兩側(cè)的壓力差，就能夠準(zhǔn)確檢測冷卻劑的流量。

冷卻劑管道與CFD通用仿真軟件模擬管道內(nèi)部溫度場的結(jié)果壓力差測量示意圖

2000年和2010年在法國沙圖分別進(jìn)行了兩次通過壓力差計算冷卻劑流量的實驗，這兩次實驗使用了法國B1壓水堆冷端2回路的1:4縮小模型進(jìn)行試驗。為了驗證CFD通用仿真軟件在壓水堆中監(jiān)測冷卻劑流量的能力，法國電力公司對這一實驗進(jìn)行了仿真計算并對比了仿真結(jié)果和實驗結(jié)果。

實驗設(shè)備

02 模型建立

以下案例為法國電力公司使用CFD通用仿真軟件結(jié)合前后處理軟件以實驗中使用的壓水堆冷端為模型，模擬管道中的流場，以使用壓力差監(jiān)測冷卻劑流量的過程。考慮到結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，對模型進(jìn)行了分塊網(wǎng)格劃分，實現(xiàn)了物理模型擬合度高、六面體占比大、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)良好且外觀優(yōu)美的網(wǎng)格劃分，考慮到結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。分塊網(wǎng)格劃分的策略結(jié)合CFD通用仿真軟件中的網(wǎng)格并接功能，簡化了設(shè)置和調(diào)試的過程，突破了網(wǎng)格量的極限。下圖展示了分塊劃分的一種策略：

分塊網(wǎng)格劃分策略

03 仿真結(jié)果

該仿真過程分別使用了k-w模型、EB-RSM模型以及LES模型進(jìn)行計算，同時也對比了不同尺寸網(wǎng)格的仿真結(jié)果，k-w仿真結(jié)果以及仿真與實驗數(shù)據(jù)之間的對比分別如下圖所示：

從左至右：k-w模型、EB-RSM模型以及LES模型不同網(wǎng)格尺寸對應(yīng)的仿真結(jié)果使用不同湍流模型計算得出的仿真結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)之間的誤差對比

仿真結(jié)果表明，不同模型的流線形狀大體一致，但具體細(xì)節(jié)略有不同：首先，所有模型對應(yīng)的仿真都預(yù)測出了第一個彎頭出口處的迪恩渦流；其次除最粗網(wǎng)格外的所有計算都預(yù)測到了蒸汽發(fā)生器水箱中的垂直壁與入口之間的渦流；另外還可以發(fā)現(xiàn)k-w模型的穩(wěn)定性強于EB-RSM模型強于LES模型。

仿真結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)之間的對比表明，雖然各模型之間結(jié)果統(tǒng)一，但仿真與實驗之間的差異依然存在，這種差異可能來自于實驗真實情況與提供的數(shù)據(jù)之間的誤差，也可能來自于一些仿真設(shè)置過程中被忽略的現(xiàn)象。

04 研究結(jié)論

計算表明：CFD通用仿真軟件可以成功預(yù)測出與實驗結(jié)果一致的流場特性，然而冷卻劑流量監(jiān)測的案例在CFD領(lǐng)域仍然是具有挑戰(zhàn)性的，考慮到計算穩(wěn)定性，不可避免得要使用RANS模型。為了避免誤差，LES模型的仿真結(jié)果應(yīng)該作為驗證RANS模型結(jié)果的參考。

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