01 研究背景

压水反应堆是美国贝蒂斯原子能实验室开发成功的一种轻水核反应堆，全球核电站的大多数都是压水堆核电站。在压水堆中，水作为主冷却剂在高压下被泵入反应堆堆芯，并在其中被原子裂变释放的能量加热。加热的高压水随后流向蒸汽发生器，将其热能转移到产生蒸汽的二次系统的低压水中，然后蒸汽驱动涡轮机，涡轮机旋转发电机。

在压水堆中，冷却剂质量流量取决于蒸汽发生器的热功率、热端和冷端的温度以及反应堆冷却泵吸收的电能，因此对压水堆冷却剂流量的监测十分重要，不准确的流量监测可能会导致功率下降。冷却剂流量可以由蒸汽发生器后第一个弯头两侧之间的压力差计算得到，因此如果可以准确获得弯头两侧的压力差，就能够准确检测冷却剂的流量。

冷却剂管道与CFD通用仿真软件模拟管道内部温度场的结果压力差测量示意图

2000年和2010年在法国沙图分别进行了两次通过压力差计算冷却剂流量的实验，这两次实验使用了法国B1压水堆冷端2回路的1:4缩小模型进行试验。为了验证CFD通用仿真软件在压水堆中监测冷却剂流量的能力，法国电力公司对这一实验进行了仿真计算并对比了仿真结果和实验结果。

实验设备

02 模型建立

以下案例为法国电力公司使用CFD通用仿真软件结合前后处理软件以实验中使用的压水堆冷端为模型，模拟管道中的流场，以使用压力差监测冷却剂流量的过程。考虑到结构的复杂性，对模型进行了分块网格划分，实现了物理模型拟合度高、六面体占比大、质量标准良好且外观优美的网格划分，考虑到结构的复杂性。分块网格划分的策略结合CFD通用仿真软件中的网格并接功能，简化了设置和调试的过程，突破了网格量的极限。下图展示了分块划分的一种策略：

分块网格划分策略

03 仿真结果

该仿真过程分别使用了k-w模型、EB-RSM模型以及LES模型进行计算，同时也对比了不同尺寸网格的仿真结果，k-w仿真结果以及仿真与实验数据之间的对比分别如下图所示：

从左至右：k-w模型、EB-RSM模型以及LES模型不同网格尺寸对应的仿真结果使用不同湍流模型计算得出的仿真结果与实验数据之间的误差对比

仿真结果表明，不同模型的流线形状大体一致，但具体细节略有不同：首先，所有模型对应的仿真都预测出了第一个弯头出口处的迪恩涡流；其次除最粗网格外的所有计算都预测到了蒸汽发生器水箱中的垂直壁与入口之间的涡流；另外还可以发现k-w模型的稳定性强于EB-RSM模型强于LES模型。

仿真结果与实验数据之间的对比表明，虽然各模型之间结果统一，但仿真与实验之间的差异依然存在，这种差异可能来自于实验真实情况与提供的数据之间的误差，也可能来自于一些仿真设置过程中被忽略的现象。

04 研究结论

计算表明：CFD通用仿真软件可以成功预测出与实验结果一致的流场特性，然而冷却剂流量监测的案例在CFD领域仍然是具有挑战性的，考虑到计算稳定性，不可避免得要使用RANS模型。为了避免误差，LES模型的仿真结果应该作为验证RANS模型结果的参考。

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