蒸汽发生器一次侧流阻数值模拟研究

说明。

蒸汽发生器一次侧进口部分总压力分布和速度矢量图如图3和图4所示。由图3的进口总压力分布可以看出下封头的进口接管至传热管的压降较大，说明进口部分阻力较大。

蒸汽发生器一次侧出口部分总压力分布如图5所示。由图5可以看出传热管至下封头的出口接管的压降不是很大，说明出口部分阻力很小。

2.5.2 传热管流动特性

因为传热管束长短不一，由于条件所限，无法对传热管全部进行模拟，本文根据传热管内平均流速给定入口流速。分别对最短的和最长的传热管进行了数值模拟，并将二者的模拟结果取平均值作为传热管的压降。

3 结果分析

3.1 阻力分布

采用经验公式法和CFD方法计算得出的蒸汽发生器一次侧各部分阻力占总流阻的百分比如图6和图7所示。从图中可知，蒸汽发生器一次侧阻力主要是传热管的沿程阻力，约占蒸汽发生器一次侧阻力的65%（CFD方法）和51.1%（经验公式法），这是因为传热管长度较长，导致沿程阻力较大；其次是进口部分的阻力，占一次侧阻力的31%（CFD方法）和37.3%（经验公式法）；出口部分的阻力相对较低，仅占一次侧阻力的4%（CFD方法）和9%（经验公式法）。

蒸汽发生器一次侧进口阻力大于蒸汽发生器一次侧出口阻力，这是因为蒸汽发生器一次侧进口流速较大，且突扩结构的局部阻力系数相比突缩结构的局部阻力系数大。

3.2 两种方法阻力计算结果的比较及分析

CFD方法和经验公式法计算的蒸汽发生器一次侧各部分压降对比如图8所示，其中ΔP1为CFD方法计算压降平均值，ΔP2为经验公式法计算的压降。由图可知，采用CFD方法计算的传热管压降和采用经验公式计算的传热管压降计算结果非常接近，差值约为4%。说明本文在传热管流阻数值模拟时，采用的方法是可靠的。

对于蒸汽发生器进口部分及出口部分的压降，采用CFD方法的计算结果和采用经验公式法的计算结果相差较大。采用CFD方法计算的进口部分压降为经验公式法计算结果的61%，采用CFD方法计算的出口部分压降为经验公式法计算结果的29%，其原因分析如下：

1）经验公式法中，计算进口部分和出口部分的阻力系数时，采用的是突扩和突缩结构的阻力系数计算公式，该计算公式是基于狭窄管道截面上流体速度均匀分布和湍流的情况下得出的，该局部阻力系数取决于窄面积与宽面积的比值。蒸汽发生器的进、出口均位于球封头上，因此并不属于典型的突扩、突缩结构。典型的突扩和突缩结构在流动面积变化处均形成强烈漩涡，正是这种漩涡存在导致能量耗散从而产生压降。从蒸汽发生器进口和出口部分流场可知，在进口和出口处未存在强烈旋涡。

2）对于蒸汽发生器出口部分，由于存在两个出口，在经验公式计算中，采用的是等效截面积方法按突缩结构计算局部阻力系数。这种处理方法导致使用经验公式计算的出口部分压降计算结果与CFD方法计算结果存在较大差别。

总体来说，采用经验公式计算蒸汽发生器进、出口部分阻力是一种偏保守的方法。对于蒸汽发生器进、出口这种特定结构的局部阻力系数，目前无特定的经验公式可用，因此，可在突扩和突缩结构阻力系数计算公式的基础上进行必要的修正，以适应蒸汽发生器进口和出口的特定结构。

4 结论

1）分别采用经验公式法和CFD方法对蒸汽发生器一次侧阻力进行计算，其中传热管沿程阻力占一次侧阻力的主要部分。

2）采用CFD方法计算阻力时，采用不同湍流模型对计算结果影响较小。

3）CFD方法模拟传热管压降与经验公式法计算结果吻合良好。

4）采用经验公式方法计算进出口阻力与CFD方法计算结果差别较大，在使用经验公式计算蒸汽发生器进出口阻力时，应进行必要修正，修正系数的确定可根据CFD模拟结果并结合实测结果确定。

【参考文献】

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[5]蒸汽发生器编写组.蒸汽发生器[M].原子能出版社，1982.

[责任编辑：刘展]

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