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螺旋管直流蒸汽發生器熱工水力穩態與瞬態研究
本研究以螺旋管直流蒸汽發生器(HOTSG)為研究對象，采用自編寫的HOTSG-W熱工水力分析程序，建立了兩流體六方程數學模型作為兩相流的計算模型。將二次側傳熱區域劃分為六個區段，選取了適用于螺旋管的傳熱和壓降關系式，開展了螺旋管直流蒸汽發生器穩態計算與瞬態研究。通過對控制方程的離散求解，獲得了蒸汽發生器一二次側熱工水力的各項參數，由于傳熱管曲率產生的二次流，會不斷沖刷邊界層使其傳熱和摩擦系數比直管更大。穩態結果與韓國ONCESG程序和設計參數對比吻合較好，驗證了HOTSG-W程序的準確性。本研究還對螺旋管瞬態工況下的動態響應進行了計算與評估，為HOTSG的結構設計與安全分析提供了依據。
【模型建立】
一般情況下，一次側在傳熱管外自上而下流動，二次側冷卻劑在管內自下而上流動，出口為微過熱的蒸汽，可以顯著提高蒸汽品質。
螺旋傳熱管內汽-液兩相之間相對流動速度較高，所以需要考慮兩相之間的質量、動量和能量交換。兩流體模型假定汽-液兩相間存在可移動邊界，質量、動量、能量通過邊界進行交換，通過建立并求解兩流體六方程，反映HOTSG的傳熱與流動特性。如圖1所示，在CHF之前，此時液膜覆蓋在壁面，相壁傳熱主要由液相-壁面占據，由一次側傳遞的熱量全部傳遞給液相；CHF之后，液膜與汽相在壁面上交替出現，此時從壁面傳遞的熱量需要根據空泡份額對汽液相進行分配。
圖1 管內兩相相界面與壁面傳熱關系
由于傳熱管較為特殊的物理結構，管內流動現象更為復雜。兩流體模型中計算摩擦壓降時采用Chexal-Harrison模型，將兩相混合物總體壓降分配給汽、液單獨相；管外摩擦采用Yin關系式。
圖2 管內流型變化與判別
傳熱管內的二次側冷卻劑會經歷相變過程，螺旋角較小，可以視為水平管流動，流型會經歷泡狀流、層狀流、彈狀流、環狀流、彌散流與單相蒸汽。本研究沿流動方向將管內劃分為六個傳熱區域：單相液體區、過冷沸騰區、飽和沸騰區、過渡沸騰區、膜態沸騰區和單相蒸汽區，不同傳熱區采用不同的經驗關系式。管外傳熱采用適配于螺旋管修正的Zukauskas關系式。
【穩態結果】
本團隊首先計算了日本Marine Reactor X船用堆中的大盤管蒸汽發生器的穩態工況，由圖3可以看出，一二次側溫度與ONCESG計算結果吻合較好，并與設計參數進行了對比。二次側的有效沸騰段很長，占據整根傳熱管長度60%以上，MRX蒸汽發生器總傳熱系數達到了4287.87W/(m2?K)，印證了螺旋式盤管具有更強的傳熱能力。二次側冷卻劑由切向力產生的沿程損失增加，另外還有漩渦和二次環流造成的流動損失，使得螺旋管摩擦阻力高于直管。
圖3 (a)MRX蒸汽發生器一次側溫度與ONCESG計算結果對比 (b)MRX蒸汽發生器二次側溫度與ONCESG計算結果對比 (c)MRX蒸汽發生器一次側壓力和流速計算結果 (d)MRX蒸汽發生器二次側壓力和流速計算結果
【瞬態結果】
安全性與可靠性是評價螺旋管直流蒸汽發生器綜合性能的重要方面，其中瞬態分析起著至關重要的作用。本研究基于韓國SMART反應堆螺旋管直流蒸汽發生器開展了熱工水力的瞬態研究，表1為瞬態工況運行參數變化。
表1 瞬態工況運行參數變化
圖4 (a)工況1二次側壓力變化 (b)工況1二次側溫度變化
由于二次側流量階躍產生了給水流速的快速變化，但是瞬時給水壓力與給水密度基本不變，二次側壓降變化十分有限，僅為0.02MPa。流量減少使得蒸汽溫度快速升高，而恢復到正常工況時，蒸汽溫度需要150s左右時間才能降到穩定溫度。
圖5 (a)工況2一次側溫度變化 (b)工況2二次側溫度變化
由于二次側冷卻劑本身溫度升高，自身攜帶的焓值更多，從一次側冷卻劑傳遞給二次側冷卻劑的熱量減少，使得一次側溫度快速上升。但是即使給水溫度發生階躍變化，瞬時給水壓力基本不變，流量基本恒定，給水密度會突然降低，導致給水流速迅速增加，單相液段流動阻力上升，所以一次側出口溫度上升段會出現一個小低谷。
二次側出口溫度會出現類似的現象，當瞬態工況發生后，蒸汽溫度先是有一個下降段，然后才開始不斷上升達到一個新的穩定溫度。198℃的“熱流”會推動180℃的“冷流”向前流動，由于溫度的飛升導致給水流速迅速增加，使“冷流”受熱不充分，出口蒸汽溫度下降。這樣的低谷溫度不會大幅度破壞蒸汽品質，但是要保證系統溫度變化要在一定范圍。
【總結】
利用本團隊HOTSG-W程序對螺旋管式直流蒸汽發生器進行了建模與計算，穩態結果與設計值吻合較好，表現出螺旋盤管相對直管更強的傳熱能力；瞬態分析驗證HOTSG具有很好的動態相應特性，為日后的安全分析提供了依據。