双层安全壳内工质流动与传热的数值模拟

摘要

反应堆安全壳作为包容放射性物质泄漏的最后一道安全屏障，其完整性对核安全具有重要意义，而非能动安全壳冷却系统（PCCS）作为保护放射性物质泄漏最后一道屏障的系统，其换热特性具有研究价值。当发生失水事故、主蒸汽管道破裂事故等设计基准事故时，大量高温高压的蒸汽进入安全壳，为防止其超温超压，阻止放射性物质泄漏，应用PCCS系统对安全壳进行降温降压。该系统不需要人员干预，亦不需要任何电力设施，大幅度提升了安全性和可靠性。本文研究当高温高压蒸汽泄漏后，PCCS系统投入运行时，安全壳内部及外部空气流道的流体流动与换热情况。
　　本文以AP1000为研究背景，合理简化AP1000的双层安全壳结构，应用Pro-E软件建立AP1000双层安全壳三维模型，应用FLUENT对安全壳稳态工况下的空气自然循环进行仿真计算，得到正常工况下温度、密度云图等。
　　本文将AP1000双层安全壳简化为二维模型，应用FLUENT对内部及外部空气流道分别进行模拟计算，内部添加含有空气的蒸汽凝结UDF，外部空气流道添加水蒸发换热UDF，应用MpCCI（Mesh-based parallel code coupling interface）耦合软件对安全壳内部及外部空气流道进行耦合瞬态计算，实现内部热量通过安全壳壁面传递到外部空气流道的过程。考虑停堆后堆芯的衰变热，以AP1000破口事故下一回路温度、压力变化为参考，合理给定蒸汽入口边界条件。随着时间增加，对流、凝结及辐射换热的热流密度均持续增大，凝结换热是对流换热热流密度的两倍左右，辐射换热所占比例较小，与对流及凝结换热不在一个量级上。对流、凝结换热热流密度在1200s前沿安全壳壁面高度的降低而减小，1200s后外部空气流道水开始蒸发，对流、凝结换热的热流密度迅速升高，在壁面10m处有热流密度峰值。外部空气流道水膜蒸发后，安全壳内温度压力逐渐稳定，小于安全壳设计压力、温度，证明PCCS系统对预防放射性物质泄漏起了重要作用。
　　对于安全壳外部空气流道，事故后PCCS系统冷却水喷淋在安全壳顶端，形成水膜，沿壁面向下水膜厚度逐渐减小。在环形区域内的水膜温度较高，达到该气压下的饱和温度时蒸发，水蒸汽充斥环形区域，沿着安全壳屏蔽构筑物向上流动，直至烟囱处空气出口流出。而无冷却水时，安全壳外壁面的温度最高，沿壁面法线方向温度降低，沿壁面高度降低温度持续升高，导致双层安全壳外部空气流道空腔内为温度较高。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文主要工作内容

第2章 AP1000非能动安全壳冷却系统

2.1 AP1000系统概述

2.2 非能动安全壳冷却系统组成

2.3 非能动安全壳冷却系统功能

2.4 失水事故概述

2.5 安全壳内部及外部空气流道的传热过程

2.6 本章小结

第3章 数值模拟计算

3.1 FLUENT计算模型

3.2 UDF程序

3.3 MpCCI耦合软件

3.4 本章小结

第4章 钢制安全壳内部模拟分析

4.1 钢制安全壳稳态计算

4.2 钢制安全壳内部瞬态计算

4.3 本章小结

第5章 钢制安全壳外部空气流道模拟分析

5.1 钢制安全壳外部空气流道瞬态计算基本设置

5.2 钢制安全壳外部空气流道瞬态计算结果分析

5.3 钢制安全壳外壁面有无冷却水对比

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢