严重事故下安全壳内氢气浓度场分布影响因素的初步研究.pdf

第28卷第1期核动力工程Vol.28.No.1
2007年2月NuclearPowerEngineeringFeb.2007

文章编号：0258-0928(2007)01-0099-06

严重事故下安全壳内氢气浓度场分布
影响因素的初步研究

肖建军，周志伟，经荥清

（清华大学核能与新能源研究院，北京，100084）

摘要：利用计算流体力学程序FLUENT和GASFLOW，采用不同的湍流模型，研究了核电站严重事故
下氢气在安全壳内的传输与混合过程。计算结果表明，FLUENT中的RNGk-ε模型能够较好的模拟氢气的
质量扩散，动量扩散和湍流脉动特征；FLUENT中的标准k-ε模型和GASFLOW中的k-ε模型能得到工程
上可以接受的计算结果；而GASFLOW中代数模型未能较好地模拟氢气的质量扩散和动量扩散，氢气的浓
度场分布与其他模型的计算结果存在较大的差别。同时，本文对混合气体中的水蒸汽浓度和气体的质量流速
对安全壳内氢气浓度分布的影响进行了初步研究。研究表明，破口气体的密度和流速是影响氢气浓度场的重
要因素；混合气体密度越小、流速越大，则有更大的浮力和初始动量作用于气体。湍流模型的选择和对浮力
驱动的湍流射流的模拟是影响严重事故下氢气在安全壳内的分布模拟结果的重要因素。
关键词：严重事故；氢气分布；安全壳
中图分类号：TL364.4文献标识码：A

1引言求解雷诺应力项。FLUENT模拟能够得到流场、
轻水堆核电站严重事故下，堆芯金属构件氧湍流和浓度场的详细输出结果。本文选择
化及堆芯熔融物与混凝土反应会产生大量的氢气FLUENT中的标准k-ε模型，标准k-ε模型和
对安全壳的完整性产生严重威胁[1]。模拟严重事RNGk-ε模型对安全壳内氢气的浓度场分布进
故下氢气在安全壳内传输与混合过程，确定氢气行研究；利用非结构化网格求解方程。为了提高
浓度场和流场分布，可为氢气缓解设备的布置提求解的精度和降低数值扩散，在求解过程中对压
供可靠的依据。力项采取二阶迎风格式，对其他项均采取具有三
本文利用FLUENT和GASFLOW2.1程序中阶精度的QUICK格式。
的几种不同的湍流模型对安全壳内氢气分布进行2.2GASFLOW
GASFLOW是由德国卡尔斯鲁厄研究中心和
了模拟，并对计算结果进行了比较分析；同时对
美国洛斯阿拉莫斯实验室共同开发的三维计算流
混合气体中的水蒸汽浓度和破口处气体的质量流
体力学程序[3，4]。它基于有限体积法来求解三维
速对安全壳内氢气浓度分布的影响进行了研究。
可压缩纳维-斯托克斯方程。GASFLOW程序能够
2计算程序建立具有多个隔间和内部构筑物的复杂建筑设施
2.1FLUENT的三维空间模型。GASFLOW有适用于多种气体
FLUENT能够模拟复杂几何体中的流体流动种类，液滴和流体总内能的传输方程，内置了一
[2]
和传热,该程序具有完善的网格适应性，采用非个包含23种气体和一种液体物性参数的数据库。
结构化网格求解流动问题。它通过雷诺平均纳维-GASFLOW2.1中包含两个湍流模型：代数模型和
斯托克斯方程求解流动、压力、湍流参数和浓度k-ε模型。

分布等。程序中有多种湍流模型可供选择，用于

收稿日期：2005-05-31；修回日期：2006-01-20
100核动力工程Vol.28.No.1.2007

3几何模型与边界条件4计算结果及分析
3.1安全壳几何模型与网格划分在中轴面上建立了P1、P2、P3、P4、P5等
本文采用简化的大亚湾安全壳模型作为研5个点(图2)，用于记录FLUENT和GASFLOW
究对象。安全壳高度为65m，圆柱半径为20m计算过程中该点的速度、各气体组分浓度、湍流
(图1)。安全壳空间内包含3个蒸汽发生器、3个动能和耗散率。
冷却剂泵、1个稳压器、行车及其它内部构筑物。
安全壳内部总体积为74634m3；其中气体空间
体积为50648m3。FLUENT采用非结构化网格，
总数为424879，平均每个网格单元体积为
0.17m3；GASFLOW采用结构化网格，总数为
31968，平均每个网格单元体积为2.3m3。

图2用于记录局部流动参数的5个点
Fig.2FivePointsforRecordingLocalFlow
Parameters

4.1湍流模型的影响
图3为P1处氢气浓度随时间变化曲线，分
图1大亚湾核电站安全壳几何模型别为标准k-ε模型，RNGk-ε模型和标准k-ω模
Fig.1GeometricalModelofContainmentof3RNGk-ε
DayaBayNPP型的计算结果。由图可知，模型的计
算结果能够较好的模拟P1点处氢气浓度随时间
3.2边界条件和基本假设的波动，很好地反映了湍流流动的本质。标准
本文以大