一种蒸汽发生器传热管管间多组平行射流形态的数值分析方法与流程

本发明属于水力清洗技术领域，特别是涉及一种蒸汽发生器传热管管间多组平行射流形态的数值分析方法。

背景技术：

压水堆核电站多采用立式倒u型管结构的蒸汽发生器，其功能是把一回路冷却剂从核能反应堆获得的热能传给二回路水介质使其变为蒸汽。整个二回路中，管板上表面处于最低位。工作过程中蒸汽发生器二次侧给水中的非挥发性杂质和腐蚀产物会在管板上沉积泥渣，形成的泥渣会在传热管与管板胀接处形成腐蚀环境，造成传热管腐蚀和减薄，严重者造成放射性泄露以及热功率损失。因此，根据国内外核电站运行经验反馈，每次停堆检修期间，蒸汽发生器二次侧泥渣冲洗和视频检查均是必做项目。

核电站蒸汽发生器的清洗主要有机械清洗和化学清洗两种方式，目前对管板上的沉积泥渣主要采用机械水力清洗方法去除。使用高压射流和循环水回路系统，喷枪通过手孔或眼孔对管板上表面进行水力清洗。手孔清洗时，手孔喷枪从0°或180°手孔引入蒸汽发生器内部，由执行机构驱动喷枪沿中心管廊方向逐管间步进，并在清洗时沿自身轴线旋转，进而清洗传热管外表面及管板上表面；同时环流喷枪从0°和180°手孔装入，将清洗水沿外环廊送至90°和270°眼孔抽吸口处，由抽吸管路吸出至过滤系统，实现水回路循环；眼孔清洗时，眼孔喷枪从90°或270°眼孔引入蒸汽发生器内部，由执行机构驱动沿传热管管间步进，并在清洗时沿喷枪自身轴线旋转；同时环流喷枪从90°和270°眼孔将清洗水沿外环廊送至0°和180°手孔抽吸口处，由抽吸管路吸出至过滤系统，实现水回路循环，进而清洗传热管外表面及管板上表面。

采用上述喷枪对蒸汽发生器二次侧管板清洗时，多组平行射流需要从密集的传热管间穿过，由于喷枪摆动角度不同，射流需要在传热管间穿行距离的范围为0.35m～1.6m。为保证管板的清洗效果，需要高压射流在行进过程中保持一定要求的线性度，避免射流大部分作用在传热管上而不能到达管板上表面的情况。因此，在上述射程中，射流能否保持一定的线性度到达管板上表面，是机械水力清洗设备能否达到预期清洗效果的关键所在。

技术实现要素：

本发明目的是为了提高射流线性度，进而提高管板上受到射流冲击的压强集中度，提高射流对管板上不易清洗的泥渣的清洗能力，提出了一种蒸汽发生器传热管管间多组平行射流形态的数值分析方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现：一种蒸汽发生器传热管管间多组平行射流形态的数值分析方法，包括以下步骤：

步骤一、将水力清洗射流流动的计算区域设定为枪体区域和射流区域，设定两个区域之间的相对转动来模拟不同射流角情况下的计算域；

步骤二、对所述枪体区域和射流区域进行网格划分，并对枪体区域和射流区域以及枪体区域与射流区域的交界面处进行网格加密；

步骤三、给定边界条件和数值计算参数，其中入口条件给定为速度进口，出口条件给定为压强为零的开放边界；

步骤四、采用rngk-ε双方程湍流模型以及组分输运模型来计算求解射流流场的气液两相流动，采用有限体积法对水力清洗流场内的流动进行数值计算；

步骤五、选取30°～60°的射流角进行射流流场线性分析，所述射流角为射流出射方向与传热管中心线方向之间的角度；

步骤六、根据射流流场线性分析结果设定两个射流间间距为n个传热管，n为大于3的整数，从而提高射流线性度。

进一步地，当两个射流间间距为6个传热管时，使得管间平行射流可以在射流角为60°时穿过传热管到达管板表面；当两个射流间间距为9个传热管时，两个射流之间的吸引作用消失，射流线性度不受射流之间的吸引作用影响。

进一步地，所述枪体区域和射流区域均采用全结构化网格。

进一步地，从30°到60°每隔两度选取一个计算角度，共16个角度，用于描述射流角度变化时的流场线性特性。

进一步地，所述水力清洗用喷枪为手孔喷枪或眼孔喷枪。

本发明用cfd流场仿真方法研究了传热管管间多组平行射流的射流形态，通过合理简化计算区域的几何结构，采用rngk-ε湍流模型以及组分输运模型对射流流场进行了气液两相流动的仿真计算。计算结果表明，随着射流角的增大，射流造成管板上的压强集中度明显降低，造成这一现象的原因是射流两侧存在的压强差，使射流受到与其行进方向垂直的偏转作用力。增大射流之间的间距可以有效减弱射流之间的相互作用，当射流之间的间距足够大时，造成射流偏转的作用力基本消失，此时射流可以保持很好的线性度，保持对管板泥渣的清洗效果。

附图说明

图1是本发明所述一种蒸汽发生器传热管管间多组平行射流形态的数值分析方法的流程图；

图2是计算区域网格结构图；

图3是不同射流角时射流流线图；

图4是不同射流角时管板压力分布图；

图5是不同射流角时管板所受冲击力图；

图6相互作用的射流截面压力分布图；

图7是射流间距对线性度的影响图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

由于传热管的密集特性，清洗过程难以实现实时的视频观察，无法掌握水射流的形态和压强等参数；而通过cfd(computationalfluiddynamic)方法对射流流场进行仿真，可以准确而具体的获取射流形态及其它关键参数。

结合图1-图7，本发明提出一种蒸汽发生器传热管管间多组平行射流形态的数值分析方法，包括以下步骤：

步骤一、水力清洗射流流动的计算区域划分为枪体和射流两个区域，设定两个区域之间的相对转动来模拟不同射流角情况下的计算域；

步骤二、对所述枪体区域和射流区域进行网格划分，并对枪体区域和射流区域以及枪体区域与射流区域的交界面处进行网格加密；

步骤三、给定边界条件和数值计算参数，其中入口条件给定为速度进口，出口条件给定为压强为零的开放边界；

步骤四、采用rngk-ε双方程湍流模型以及组分输运模型来计算求解射流流场的气液两相流动，采用有限体积法对水力清洗流场内的流动进行数值计算；

步骤五、选取30°～60°的射流角进行射流流场线性分析，所述射流角为射流出射方向与传热管中心线方向之间的角度；

步骤六、根据射流流场线性分析结果设定两个射流间间距为n个传热管，n为大于3的整数，从而提高射流线性度。

当两个射流间间距为6个传热管时，使得射流线性度在射流角为60°时穿过传热管到达管板表面；当两个射流间间距为9个传热管时，两个射流之间的吸引作用消失，射流线性度不受射流之间的吸引作用影响。

所述枪体区域和射流区域均采用全结构化网格。

从30°到60°每隔两度选取一个计算角度，共16个角度，用于描述射流角度变化时的流场线性特性。

所述水力清洗用喷枪为手孔喷枪或眼孔喷枪。

本发明以手孔清洗过程举例进行线性分析，具体为：

流场仿真方案

手孔清洗射流流动的计算区域如图2所示。为了方便设置喷枪的转动角度，将计算区域分为枪体区域和射流区域两个部分，其中枪体区域整体放置在射流区域的圆形孔洞内。枪体部分采用全结构化网格，网格质量在0.65以上；因其对后续高速射流的流态起到关键作用，因此需要对枪体区域喷嘴部分的网格进行加密处理，最终确定枪体区域的网格数量为170万，如图2(a)所示。射流区域也采用全结构化网格，该区域是高速射流流态发展的区域，流动较为复杂，为了更好捕捉射流情况，对整体进行了适度加密，同时为了增强交界面的数据传递，避免数据交界面数据传递误差，对该区域与枪体区域的交界面处进行了局部加密，最终确定该区域网格数为412万，网格如图2(b)所示。

计算采用rngk-ε双方程湍流模型，以组分输运模型来求解气液两相流动，采用有限体积法对水力清洗流场内的流动进行数值计算。对流项离散格式选取highresolutionscheme格式，它作为一种高阶格式，能够减少数值扩散，因此能够提供更高的精度。

射流流场内的工作介质分别为25℃的空气和水，参考压力为1个标准大气压。给定入口条件为速度进口，手孔喷嘴出口速度经计算为138m/s，喷嘴个数为4。出口设为压强为零的开放边界，这种设置无需设定边界上的流动方向，具有良好稳定性和收敛性。交界面之间的相对运动设置为none。选取了30°～60°的射流角(定义射流出射方向与传热管中心线方向之间的角度为射流角)进行射流流场分析。

射流流场清洗分析

高压清洗时，管板上表面清洗效果主要受水射流到达管板的情况影响，因此，需要研究手孔喷枪转动过程中管板的受力规律以及射流流态的发展状况。从30°到60°每隔两度选取一个计算角度，共16个角度，用于描述射流角度变化时的流场特性。以下仅对其中射流角为30°、36°、42°、48°、54°、60°的流动情况进行分析。

图3给出了上述角度的手孔清洗过程中射流流线形态，图4给出了上述角度管板表面的压力分布图，结合两图可以看出，在射流角为30°时，由于射流经过传热管的数量较少，射流之间的相互作用较弱，因此四股射流均能到达管板，但外侧两个射流的方向发生了一定的偏转，导致在管板上产生的局部高压点不集中而且中间的两个射流产生的压力最大。当射流角为36°时，外侧两个射流由于相互间作用增强，直接作用在传热管上，使得作用在管板上的压力点比较分散，而中间两个射流受外侧两个射流到达传热管上后的作用影响造成两侧受力不均匀，也开始产生了相互吸引，但这两股射流仍能到达管板，在管板上产生的局部高压点比较集中。当射流角为42°时，中间两个射流中的部分射流作用到传热管上，而后改变方向(以垂直方向为主)到达传热管的底部，因此在压力图示中传热管间的居中位置产生了局部高压点。当射流角为48°时，外侧两个射流逐渐偏转到中间两个射流的下方，由于流量和速度的衰减，外侧两个射流之间的干涉作用也随之减弱，因此这两股射流能在管板远处产生压力集中点。当射流角为54°和60°时，由于四个射流均先后作用于传热管上，因此管板表面基本不存在明显的压力集中点了。

图5给出了不同角度下管板的受力规律，从中可以看出，随着射流角的增大，管板所受的射流冲击力基本上是在线性减小，同时射流的集中度也是在逐渐降低的。

为了揭示上述射流相互吸引现象产生的原因，选取射流角为30°的情况，在射流区域取了如图6(a)所示的两个截面，并提取了所选两个截面的压力云图，如图6(b)和图6(c)所示。从图中可以看出，两股外侧的射流在其内侧出现了局部低压区，这直接导致每个外侧射流的两侧都存在压差而受到与其流动方向垂直向内的压力，使射流发生偏转，而内侧的射流在其两侧出现了基本对称的局部低压区，但两侧不存在压强差，因而其方向并没有发生偏转。

射流间距对线性度的影响

为了寻找改善射流线性度的方法，对两个不同间距的60°射流角的射流穿行于传热管间的流动进行了仿真，如图7所示。当射流间距为2个和3个传热管时，射流线性度没有得到根本改变；当射流间距为6个传热管时，射流线性度已经可以保证在射流角为60°时穿过传热管到达管板表面；当射流间距为9个传热管时，两个射流之间的吸引作用基本消失，射流线性度基本不受射流之间的吸引作用影响。

基于上述分析过程及结果，在满足空间布置及喷枪运动的要求情况下，可以对喷枪上喷头的分布距离进行优化，应尽量使各个喷头之间的间距大一些，可以有效提高射流线性度，进而提高管板上受到射流冲击的压强集中度，提高射流对管板上不易清洗的泥渣的清洗能力。

本发明应用气液两相流的方法对水力清洗过程中的射流流场进行了cfd数值模拟，分析了射流形态以及射流在传热管间的穿行特性。随着射流角的增加，管板上的射流作用力线性减小，同时射流造成管板上的压强集中度明显降低，在射流角超过一定范围时，管板上基本上不存在明显的压强集中区域；射流之间的相互吸引作用是由于射流两侧的压强差造成的，该压强差造成射流受到与其行进方向垂直的作用力，造成射流发生偏转，不利于射流穿过传热管区域到达管板表面；增大射流之间的间距可以有效地减弱或避免射流之间的吸引作用，当射流之间的间距足够大时，造成射流偏转的作用力基本消失，射流也能够保持很好的线性度，以及对管板泥渣的有效清洗作用。

以上对本发明所提供的一种蒸汽发生器传热管管间多组平行射流形态的数值分析方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。