BALI试验的大涡模拟研究汲水

《BALI试验的大涡模拟研究汲水》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、传热传质学编号：141006中国工程热物理学会学术会议论文BALI试验的大涡模拟研究汲水-胡腾-常华健「2(1.国家核电技术冇限公司北京研发中心，北京市吕平区1022092.清华大学核能与新能源技术研究院，北京市海淀区100210)联系电话：010-56681260,E-mail：jishui@snptrd.com摘要：对BALI试验研究的IVR长期冷却条件下熔融池氧化物层自然对流传热现象进行了二维大涡模拟，获得了各物理量准稳态阶段的时均值。结果表明，随着Ra数提高，流场和温度场均有显著改变,流动加

2、强会减小下部热分层区而积，并增人下边界处下降流的影响深度。数值计算得到的上卜-边界的Nu数与BALI试验传热关联式计算值符合较好。关键词：严重事故；堆内滞留；内热源；自然对流；大涡模拟0引言核电厂风险主要來白堆芯熔化事故。为保证核电厂安全，大型先进压水堆核电厂小均采取了严重事故缓解措施。以AP1000为代表的三代先进压水堆采用了以保证压力容器不熔穿或不破裂为目标的堆芯熔融物压力容器内滞留(invesselretention,IVR)策略山。以往研究和分析屮常见的IVR长期冷却两层熔融池结构屮门1,下

3、部的氧化物层会在边界处凝固形成壳层，内部在衰变热的驱动下进行高Ra数的湍流口然对流。由于真实高温堆芯熔融物试验的困难，现有传热关联式均由模拟工质低温试验获得。均匀内热源的实现则也给试验硏究带来了困难，便得数值模拟可以成为试验研究的有效补充。冃前工程中常用的两方程湍流模型和雷诺应力模型中包括大量假设和依赖于特定几何形状区域受迫流动所得的经验常数。Dinh和Nou即liev⑶对熔融池口然对流数值模拟屮各种工程湍流模型进行了总结与评估示认为，在R*数高达1(尸时，标准的低Rc数人£湍流模型不适用，通过对模

4、型参数的修改可以改善计算结果，但不能克服两方程模型的根木缺点，可能需要应用更高级的雷诺应力模型。他们之示的数值模拟研究屮将Ra数限制在IO"以内，并采用层流模型计算，以避免高Ra数下湍流模型带来的的影响。湍流人涡模拟(largeeddysimulation,LES)因其既可以得到较RANS得到更多的诸如大尺度涡结构和性质等的动态信息，乂比DNS节省计算量，因此获得了广泛关注⑷。Fukasawa等⑸用多种湍流模型对BALI试验⑹进了三维模拟后，选用LES研究了反转分层熔融池的传热特性。Tmn等⑺用二维

5、LES对熔融堆芯在沸水堆下封头内的的自然対流进行了计算。目前还没有对髙Ra数内热源驱动自然对流的二维大涡模拟，本文针对BALI试验建立物理模型进行了二维大涡模拟研究。基金项目：国家重大科技专项“大型先进压水堆及高温气冷堆核电站”经费资助项I丨(2011ZX06002-001)1BALI试验法国CAE针对欧洲压水堆为原型进行的BALI试验以盐溶液为模拟工质，研究了IVR条件下氧化物层的口然对流传热。BALI试验的试验段基于法国压水堆压力容器下封头1:1比例设计,为半径2m厚0.15m的二维切片结构，即

6、四分之一圆柱体,如图1所示。较大的比例使得该试验设施是目前少数试验工况Ra数能达到真实反应堆熔融池实际Ra数（1（尸〜1（尸）的模拟工质实验装置。用对工质肓接通电加热的方式模拟衰变热。试验段上下传热表面从外部冷却形成一层薄冰，以模拟氧化物壳层，同时还可形成理想的定壁温边界条件⑹。图1BAL1试验试验段示意图2物理模型考虑到BALI试验采用的为二维切片试验段，可将试验段简化为四分之一圆的二维物理模型，如图2所示。图2物理模型示意图3数值模拟方法2.1基本假设为便于处理由于温差而引起的浮升力项，采用Bo

7、ussinesq假设。即为，流体中的粘性耗散忽略不计；除密度外其它物性参数均为常数；对密度仅考虑动量方程中与休积力有关的项，其余各项屮的密度亦作为常数。2.2边界条件与初始条件BAL1试验中冷边界附近结冰，从而形成比较理想的定壁温边界条件。但水在0〜4°C时存在密度反转现象，会对边界层的流动传热带来影响。最终要对计算结果进行无最纲化，因此将冷边界定为10°C定壁温。中心竖直边设为对称边界条件。由于大涡模拟只能进行瞬态计算，需要设置初始条件。为了加速收敛，先用BALI试验得到的传热关联式计算流体最高温

8、度，再将其作为计算屮工质的初始温度。时间步长由试算所得Courant数确定。计算中时间步长保证全局平均Courant小于1约等于0.5,以避免振荡和发散。每个时间步长的收敛判据为残差小于IO4,且连续性、动量和能量方程的不平衡性小于0.5%。2.3控制方程张量形式的流动与传热控制方程为：寻+“證=冷瓷+"麒+07)⑴洱0⑵OXj辽+T殂“也丄生⑶dtdxtdxjdx{pdxt2.4LES亚格子模型LES必须构造SGS应力的封闭模型，并且可以在不同复杂程度下构造。动力亚