《Annals of Nuclear Energy》：A coupled three-dimensional porous-media and drift-flux model for full-domain thermal-hydraulic analysis of steam generators
编辑推荐：
•开发了一个自包含的OpenFOAM框架，用于压水堆蒸汽发生器全领域三维热工水力分析。•在多孔管束区域应用双侧重叠网格策略，以解析耦联的一/二回路流动与传热。•揭示了华龙一号蒸汽发生器中显著的冷/热腿不对称性、流量分配不均以及空隙率和热流密度分布不均匀现象。引言蒸汽发生器是压
- •
开发了一个自包含的OpenFOAM框架，用于压水堆蒸汽发生器全领域三维热工水力分析。
- •
在多孔管束区域应用双侧重叠网格策略，以解析耦联的一/二回路流动与传热。
- •
揭示了华龙一号蒸汽发生器中显著的冷/热腿不对称性、流量分配不均以及空隙率和热流密度分布不均匀现象。
引言
蒸汽发生器是压水堆系统中一、二回路之间关键的能量转换界面，将放射性一回路冷却剂的热量传递给二次侧给水，产生蒸汽驱动汽轮机运行。其热工水力性能直接决定了整个核电站的安全性、效率和可靠性（MacDonald等，1996）。
压水堆蒸汽发生器的全领域模拟面临严峻的工程挑战（Bestion，2014；Osakabe，1989），包括复杂的U型管束结构、单相/两相流动耦合、多部件阻力效应以及一、二次侧之间强烈的传热耦联。传统简化方法无法解析局部流动细节和三维不均匀性（Hovi等，2016），而过精的模型则受限于计算资源。因此，开发兼顾精度与效率的三维耦联热工水力分析方法，对于蒸汽发生器的设计、安全分析和性能优化而言是一项迫切需求。
系统分析程序如RELAP5（Huang等，2020）、THIRST（Pietralik等，1998）和CATHARE（Barre和Bernard，1990）被广泛用于核系统热工水力分析。这些程序采用一维集总参数模型，具有较高的计算效率和成熟的系统级瞬态分析应用。然而，它们本质上缺乏解析三维流动细节、局部速度/温度梯度和部件级不均匀性的能力，限制了其在蒸汽发生器内部详细流动与传热分析中的适用性。
管束解析计算流体力学方法直接模拟详细管几何和流场，能够准确预测局部流动和传热特性。然而，压水堆蒸汽发生器中数千根U型管导致网格规模庞大、计算成本极高，将此类方法局限于局部区域模拟而非全领域分析。极高的计算需求使得全尺寸管束解析计算流体力学方法在实际工程应用中不可行（Wang等，2021）。
多孔介质方法将复杂的管束简化为各向异性多孔介质，在降低几何复杂度和计算成本的同时保留关键的流动阻力特性（Komuro和Hibiki，2026）。已有研究将多孔介质模型应用于蒸汽发生器分析，侧重于管束简化和阻力建模。然而，大多数既往工作缺乏一、二次侧的全领域耦联、详细的各向异性阻力公式以及严格的三维传热耦联，无法全面描述蒸汽发生器内部的多物理场特性（Cong等，2022）。
两相流建模对二次侧蒸汽发生器模拟至关重要（Liu等，2019）。均相模型将两相混合物视为单相流动，但无法描述相间滑移，导致空隙率预测不准确。双流体模型解析各相特定方程，但需要大量未经验证的界面闭合模型，增加了复杂性和不确定性。滑移率模型通过引入代数滑移关系，在精度与简便性之间取得平衡，适用于热失衡较小的稳态蒸汽发生器两相流分析。本研究采用此方法（Komuro等，2022）。
本研究旨在开发耦联三维多孔介质模拟方法，用于压水堆蒸汽发生器的全领域热工水力分析，以解决传统系统分析程序和高保真计算流体力学方法的局限性。
除整体建模框架外，本研究还采用完全自主开发的OpenFOAM实现。特别是，管束区域在多孔介质框架内采用双侧重叠网格策略进行离散化，使一、二次侧流场能够得到更忠实的表征，从而实现两侧耦联传热行为的更准确预测。
节选
华龙一号蒸汽发生器构型
华龙一号蒸汽发生器为立式自然循环U型管蒸汽发生器，一回路冷却剂流经U型管，二次侧给水经历单相加热、沸腾和汽水分离。如图1所示，一回路流道包括进口接管、下封头、管板、U型管束和出口接管。二次侧流道由下降管、管束区域、蒸汽上升管、旋风分离器和干燥器组成。
耦联模型
网格无关性验证
使用ANSYS Mesh生成网格，在Fluent中复制一回路网格，并在ICEM中设置边界条件。为华龙一号蒸汽发生器建立了四个全领域网格，分别包含约438,500、670,600、978,900和1,405,900个单元。分别以一回路压降和出口温度、以及二次侧蒸汽出口质量流量和压降作为指标，对两侧进行网格敏感性评估。如图6所示，网格分辨率
结果与讨论
在表8所示的运行工况下，对华龙一号蒸汽发生器进行了三维耦联模拟。
结论
本研究基于OpenFOAM开发了一种耦联三维多孔介质热工水力方法，用于压水堆蒸汽发生器的全局分析。该方法集成了简化的多孔介质模型、滑移率两相流理论和节点间传热耦联机制。其验证结合了GENF交叉代码验证以及与MB-2实验数据的独立对比。主要结论总结如下：
利益冲突声明
作者声明，他们不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能会影响本文所述工作的客观性。
Bo Wang | Yan Zhang | Zhiwei Huang | Yang Yang | Zhengrong Guo | Yukang Liu | Mingyang Li
