为研究系统分析程序中临界流模型的准确性和喷放过程动态趋势,采用RETRAN-3D和RELAP5/MOD4.0程序对高温高压喷放实验进行了模拟计算,获得了高压容器内空泡份额、温度、压力及剩余水装量随时间的变化趋势。计算与实验对比表明:在短期效应计算过程中,RETRAN-3D程序所用临界流模型计算出的热工水力参数趋势和大小与实验比较接近,RELAP5程序所用临界流模型计算喷放过程趋势与实验吻合,泄压速率稍快,瞬时临界流流速略偏高;在长期效应计算过程中,RETRAN-3D程序因汽液两相计算出现负压力而终止计算,RELAP5程序则可以进行长时间的瞬态计算。 To study the accuracy of critical flow model in system analysis code and the discharge process dynamic trend, the RETRAN-3D and RELAP5/MOD4.0 are used to simulate the high temperature and pressure discharge experiment. The trends of void fraction, temperature, pressure and residual water filling quantity in the high pressure vessel are achieved. The results show that during the short-time effect calculation process, the trends and numerical quality of the thermal-hydraulic parameters calculated by the critical flow model of RETRAN-3D are closely coincident with experimental results. And the trends of the RELAP5 code are also coincident with experimental results, but the de-pressure speed is much fast and the critical mass flow is a little high. During the long- time effect calculation process, the RETRAN-3D code can’t run as negative pressure results, while the RELAP5 code can execute long-time run.
赖诚1,刘建阁2,张小英1
1华南理工大学电力学院,广东 广州
2中科华核电技术研究院,广东 深圳
Email: knocklai@163.com
收稿日期:2015年6月20日;录用日期:2015年7月12日;发布日期:2015年7月15日
为研究系统分析程序中临界流模型的准确性和喷放过程动态趋势,采用RETRAN-3D和RELAP5/MOD4.0程序对高温高压喷放实验进行了模拟计算,获得了高压容器内空泡份额、温度、压力及剩余水装量随时间的变化趋势。计算与实验对比表明:在短期效应计算过程中,RETRAN-3D程序所用临界流模型计算出的热工水力参数趋势和大小与实验比较接近,RELAP5程序所用临界流模型计算喷放过程趋势与实验吻合,泄压速率稍快,瞬时临界流流速略偏高;在长期效应计算过程中,RETRAN-3D程序因汽液两相计算出现负压力而终止计算,RELAP5程序则可以进行长时间的瞬态计算。
关键词 :临界流,喷放,RETRAN-3D程序,RELAP5程序
在热力系统中,当承受高温高压的压力容器或管道发生破裂时,循环水从破口处向外快速喷放,高温高压水在上游和下游的压力差作用下闪蒸并变成汽水混合物,很快达到最大喷射流量,压差越大,喷放流量越大,当喷放的流量不再受下游压力变化(压差)的影响时,就达到了临界流 [
反应堆失水事故的实验研究大大推动了两相临界流的模型开发,目前一些大型热工水力瞬态分析程序(如:RELAP5、RETRAN-3D、TRACE)都嵌入了临界流计算模型。在这些程序中,临界流模型的准确性直接影响临界流量的计算准确性,进而影响专设安全设施的设计容量、动作时间,影响事故缓解措施的有效性。
为此,清华大学阎义洲、臧希年采用RELAP5程序模拟了破口临界流实验,对RELAP5程序计算临界流的适应性做出了评价,其研究结果表明:RELAP5程序对临界流现象具有较准确的预测,RELAP5计算的卸压过程比实际情况更加迅速 [
RETRAN-3D程序通过设定接管处流量模型选项和调整临界流因子大小来计算临界流,即:根据上游控制体的焓值和压力、接管面积Aj(t)、用户定义的临界流因子Cj计算出临界流量Wcrit,并与采用动量方程计算出的接管流量
其中,在控制体内计算出流体的压力和内能,在接管处计算出流量,流量计算公式为:
式中,
RETRAN-3D程序提供三种可选择的临界流计算模型来计算Wcrit:扩展的Henry-Fauske模型、Moody模型和热平衡态扩散模型 [
1) Henry-Fauske模型:程序中有两个Henry-Fauske模型计算公式,其中一个用于计算单相临界流,不考虑破口处的摩擦压降和提升压降,该模型是Sonic Choking模型的半经验改造模型,程序仅推荐在过冷状态下使用该模型;另一个用于计算两相临界流,程序默认的两相模型为均匀流模型,程序在Henry-Fauske模型中引入两相间的非平衡态模型——热不平衡参数N,用含气率表征两相热力学不平衡程度,当平衡含气率Xe > 0.14时认为两相处于热平衡状态,该模型在计算工质为0.345 MPa < p < 1.379 MPa、394.26 K < T < 449.81 K范围内的过冷水临界流时与实验有较好的符合度,其临界流的值由下面公式确定:
其中:
2) Moody模型:该模型假定两相处于热平衡状态,同时引入两相滑移速度模型,滑速比为:
其中:
3) 热平衡态扩散模型:将临界流视为理想的等熵流动,该模型假设流体两相间无相对滑移,且处于热平衡状态,在计算过热蒸汽时推荐使用该模型,该模型的临界流流量为:
其中:
针对本实验模拟计算,选择RETRAN-3D程序的模型控制字“0”,即采用Henry-Fauske和Moody的联合模型进行模拟计算,在单相液体段采用Henry-Fauske模型,在两相段采用Moody模型,在发生临界流时,两相处于热平衡状态,且两相间具有滑移速度 [
RELAP5程序为用户提供了平衡态和非平衡态的选项,程序在过冷状态下提供Bernoulli公式模型进行单相临界流模拟,而程序的两相临界流模型则是在TRAPP-RANSOM关系式的基础上得到的。为模拟不同破口面积下临界流量,程序提供了喷放系数的开放性输入 [
Bernoulli公式为单相不可压缩流体流动阻力特性公式,过冷状态的临界流速为:
其中,
RELAP5程序假定破口处阀门或者接管中的空泡份额含量高于10−5时,程序会启动两相临界流模型。该程序在计算两相的临界流时也是采用Henry-Fauske模型,通过实验数据修正得到临界流流速为:
其中:
结合两相动量方程可以求出气相和液相流速
本次RELAP5程序对实验工况的模拟计算时选用Henry-Fauske模型选项。
本文以清华大学高压容器卸压实验装置为计算分析数据,实验装置如图1所示,其实验模型的RELAP5节点图和RETRAN-3D节点图原理相同,如图1所示,共有3个部件组成:压力容器(划分为20个控制体)、阀门(110阀门)和大气环境(120时间相关控制体)。压力容器内装有15.0 MPa的过冷水,用阀门来模拟破口,破口直径为5 mm,阀门在0秒后立即开启,用时间相关控制体120来模拟大气环境,大气环境的压力为0.1013 MPa,温度为300 K。实验分为A、B两种工况,具体条件如表1所示。
空泡份额的实验数据为离散点,程序计算结果为连续分布,取实验测点位置处空泡实验值与计算值进行比较,结果见图2~5所示。
破口发生后,压力容器内高温高压流体迅速向外排放,由于压力降低而发生闪蒸,空泡大量出现。
实验序号 | 初始流体温度(K) | 初始压力(MPa) | 破口直径(mm) |
---|---|---|---|
A | 551.15 | 15.0 | 5.0 |
B | 573.15 | 15.0 | 3.0 |
表1. 实验条件
图1. 实验装置与程序计算节点图
图2. A实验工况上部空泡份额比较
图3. A实验工况底部空泡份额比较
图4. B实验工况上部空泡份额比较
图5. B实验工况底部空泡份额比较
从实验与程序比较结果来看,两个程序计算出的空泡份额瞬态趋势基本与实验的趋势吻合;RELAP5程序计算出的压力容器上部控制体的空泡份额与实验值比较吻合,RETRAN-3D程序计算出的压力容器上部控制体的空泡份额与实验值存在一定程度的偏离;RELAP5程序计算出的压力容器底部控制体的空泡份额动态特性与实验值更接近且并能够长期执行计算,RETRAN-3D程序预测的压力容器底部控制体的空泡份额趋势与实验吻合但趋势单一且无法长期计算,600 s后因计算出现负压而终止计算。再者,由于A工况破口尺寸大于B工况,A工况泄压更快,因此A工况上部控制体空泡份额提前达到最大值1.0,底部控制体空泡份额更快稳定。两个程序从空泡份额总体趋势上基本与实验相吻合。
图6、图7给出了两个工况的压力分布。破口瞬间,压力容器顶部的压力急剧下降,6 s内快速降低到临界压力水平(A工况临界压力6.0 MPa,B工况临界压力8.0 MPa),两个程序都比较准确地预测出了这两个临界压力,但其中,A工况中RETRAN-3D程序预测的临界压力比实验值偏低0.2 MPa、RELAP5程序预测的临界压力比实验值偏低0.3 MPa,B工况中RETRAN-3D预测的临界压力比实验值偏高0.4 MPa、RELAP5预测的临界压力比实验值偏高0.1 MPa。当降低到临界压力后,RELAP5程序的泄压速率较实验值快,RETRAN-3D程序的泄压速率较实验值慢,其中,RETRAN-3D程序泄压速率与实验值比较接近。
图8和图9给出了两个工况下压力容器上部流体温度的变化结果。两个工况下程序计算出的压力容器顶部的温度瞬态趋势与实验趋势吻合,其中,RELAP5程序计算出的温度下降速度快,而RETRAN-3D程序计算出的温度下降速度慢,RETRAN-3D程序温度降低过程与实验值比较接近。
图10和图11分别给出了两个工况剩余水装量的变化结果。在喷放前期阶段,两个程序预测的剩余水装量均与实验值吻合,在喷放的末期阶段,两个程序的预测值均高于实验值,相比之下,RELAP5的结果更接近实验。
图6. A工况上部压力比较
图7. B工况上部压力比较
图8. A工况上部温度比较
图9. B工况上部温度比较
图10. A工况剩余水装量比较
图11. B工况剩余水装量比较
本文结合高压容器临界流喷放实验,采用RETRAN-3D程序和RELAP5程序进行了临界流喷放过程模拟计算,结果表明:
1) 两个程序均准确预测出了高压容器的临界压力大小和喷放过程趋势,其中,空泡份额、压力、温度、剩余水装量计算结果与实验结果趋势相吻合,数量值略有差异,其中,RELAP5程序空泡份额计算结果更接近实验,RETRAN-3D压力、温度、水装量计算结果更接近实验结果。
2) RELAP5计算临界流泄压速率比RETRAN-3D快,因此,RELAP5计算结果更偏于保守。
3) RETRAN-3D适合短期预测计算,RELAP5适合短期和长期的两相计算。
4) 在使用两个系统分析程序分析两相临界流时,需要结合类似的实验参考和经验来确定准确的临界流因子,从而确保计算结果的准确性。
赖 诚,刘建阁,张小英, (2015) RETRAN-3D和RELAP5/MOD4.0程序两相临界流模型评价Evaluation of Two-Phase Critical Flow Model Based on the RETRAN-3D and RELAP5/MOD4.0. 核科学与技术,03,88-96. doi: 10.12677/NST.2015.33013