基于HYDRAGON程序对安全壳壁面水蒸气冷凝现象的数值模拟

为模拟核电厂严重事故下安全壳内水蒸气的壁面冷凝现象,在安全壳氢气分析专用计算流体力学(CFD)程序HYDRAGON中加入壁面冷凝模型。该模型根据传质传热类比原理建立,为Navier-Stokes方程组提供相关的边界条件、质量源项和能量源项。为验证程序和模型的有效性,从公开发表的文献中选取TOSQAN实验作为测试算例,并与模拟结果进行比较。研究显示,该冷凝模型的计算结果与实验数据吻合较好。对计算结果的分析,也说明了壁面冷凝现象所产生的作用:一方面,壁面冷凝减少了体系中的水蒸气含量,抑制了安全壳内压力的升高,同时也使不可凝气体(如氢气)的比例上升;另一方面,因冷凝现象而引起的壁面附近对流换热也加强了体系内气体的流动,这将不利于在安全壳顶部形成稳定的氢气分层,从而降低氢气爆炸风险。

近壁区分子团聚现象的原位红外观测

对于饱和蒸气壁面凝结过程,蒸气分子在体相与过冷壁面间过渡区的微观演化机制尚不清晰,分子团聚模型认为分子到达壁面凝结前首先在体相中形成一定团簇分布,但由于观测近壁边界层微小空间中微观粒子的动态演化较为困难,对该模型的实验验证并不充分.基于团簇内部的氢键网络,利用衰减全反射傅里叶红外光谱技术,实时检测了近壁薄层内蒸气分子凝结过程中的动态行为,直接验证了近壁区的团簇分布,表明团簇是凝结和液滴生长的主要单元,且平均团簇尺寸沿着靠近壁面方向逐渐增大.利用团簇体的氢键特征,又观测了乙醇蒸气的近壁面团聚行为,进一步验证了壁面凝结过程团簇演化的合理性.此外,实验发现乙醇蒸气冷凝的团簇分布空间范围要小于同样条件下的水团簇分布范围,这可能间接表明乙醇蒸气凝结的传热边界层范围小于水蒸气凝结的传热边界层范围,而导致其传热性能较弱.利用壁面结构调节近壁区团簇分布,将为含有不凝气的蒸气冷凝传热或气相水汽捕获等过程的强化提供新方向.

PCS系统作用下的安全壳内部大气流动与传热行为研究

先进压水堆核电厂普遍设有非能动安全系统以导出事故后安全壳内部热量,俄罗斯AES-2006型反应堆采用了开式自然循环回路的非能动安全壳冷却系统(PCS),对该类PCS系统作用下的安全壳内部大气流动与传热行为进行了数值模拟研究。研究结果表明,PCS系统下部的安全壳区域存在着由于冷凝作用产生的气体流动,PCS系统以上的安全壳区域的气体流动相对滞止;水蒸汽质量和温度在高度方向上呈层状分布,水平方向上则分布均匀;在计算时间段内,PCS系统的冷凝速率维持在了一个相对恒定的数值。本文的研究有助于国内自主先进压水堆PCS系统的研发设计。

Code_Saturne程序在安全壳复杂流动中的应用

严重事故下核电安全壳内由于几何与流动的复杂性,需要有可靠的程序对流动进行分析评估.文章采用符合核电安全标准的开源CFD程序Code_Saturne对壳内气体流动进行计算,主要模拟壳内氢气和水蒸气喷放过程.该过程涉及多组分气体低速流动计算浮力效应引起的分层固体结构热传导结构表面与气体之间的热流和冷凝的计算.该程序使用了SIMPLEC格式并添加了低Mach数气体流动算法,基于理想气体模型的多组分模型和薄板结构上的一维热传导模型.同时,在此基础上改进了壁面函数方法,对壁面进行对流传热和传质流动计算.最后利用两个国际化标准问题对该程序及使用的模型进行了验证.