反應(yīng)堆流場(chǎng)分析的數(shù)值模擬

于浩+張明+張偉+蔣興

摘要： 運(yùn)用CFD分析工具對(duì)反應(yīng)堆內(nèi)的流場(chǎng)分布進(jìn)行數(shù)值模擬，給出反應(yīng)堆燃料組件入口處流場(chǎng)的速度和流量分配情況.通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果的比較分析，對(duì)核電廠反應(yīng)堆內(nèi)的流動(dòng)特性有比較全面的了解，從而為反應(yīng)堆堆內(nèi)構(gòu)件的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供分析依據(jù).結(jié)果表明反應(yīng)堆內(nèi)流場(chǎng)采用CFD技術(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算是可行的.

關(guān)鍵詞： 反應(yīng)堆； 燃料組件； 入口； 流場(chǎng)； CFD

中圖分類號(hào)： TL334；TB115.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

0引言

反應(yīng)堆是核電廠一回路系統(tǒng)中最重要的組成部分之一，其與蒸汽發(fā)生器、冷管段和熱管段的壓降共同組成的一回路壓降系統(tǒng)，是計(jì)算冷卻劑循環(huán)泵消耗功率和確定堆自然循環(huán)能力的重要參數(shù).同時(shí)，反應(yīng)堆內(nèi)堆芯入口處流量分配的均勻性對(duì)堆芯熱量分布有直接影響，反應(yīng)堆上腔室內(nèi)的橫向流強(qiáng)度對(duì)控制棒驅(qū)動(dòng)裝置和支撐結(jié)構(gòu)有顯著影響.因此，反應(yīng)堆內(nèi)流場(chǎng)分析具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值.[12]

自20世紀(jì)80年代起，為弄清反應(yīng)堆內(nèi)流場(chǎng)的具體情況，上海核工程研究設(shè)計(jì)院在秦山一期反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)中完成大量的比例模型試驗(yàn)，積累豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn).[3]1998年在秦山一期第4次大修中發(fā)現(xiàn)部分堆內(nèi)構(gòu)件出現(xiàn)損毀，上海核工程研究設(shè)計(jì)院采用數(shù)值模擬方法，用CFD技術(shù)協(xié)助工程實(shí)踐，取得積極進(jìn)展.[4]近年來(lái)，隨著CFD技術(shù)的快速發(fā)展，采用數(shù)值模擬方法對(duì)反應(yīng)堆流場(chǎng)進(jìn)行分析研究成為可能.借助CFD手段對(duì)反應(yīng)堆的局部流場(chǎng)進(jìn)行廣泛的研究，可大大降低工程設(shè)計(jì)的研發(fā)成本.[57]本文運(yùn)用CFD技術(shù)對(duì)正在開展的我國(guó)第三代核電自主化研發(fā)中心的反應(yīng)堆設(shè)計(jì)部分進(jìn)行研究，給出反應(yīng)堆流場(chǎng)分析的方法應(yīng)用.

1模型構(gòu)建

根據(jù)反應(yīng)堆設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，反應(yīng)堆內(nèi)流場(chǎng)分析主要涉及到反應(yīng)堆入口、下降環(huán)腔、導(dǎo)流圍板、堆內(nèi)構(gòu)件下腔室、堆芯下支承板、堆芯、堆芯上支承板、堆內(nèi)構(gòu)件上腔室和出口管嘴等一回路流動(dòng)路徑上的關(guān)鍵部分，其中：堆芯的壓降主要取決于燃料組件的設(shè)計(jì)和布置，具有很大的規(guī)律性，可以通過(guò)理論計(jì)算得到比較接近真實(shí)值的計(jì)算結(jié)果；其他部件的理論計(jì)算有一定的難度，假設(shè)的解析方法通常比較保守，與真實(shí)值差別較大.為盡可能真實(shí)模擬反應(yīng)堆內(nèi)流場(chǎng)的分布，將反應(yīng)堆以堆芯為界，分成下腔室和上腔室2個(gè)模型，分別進(jìn)行模擬計(jì)算.由于反應(yīng)堆本身具有對(duì)稱性，模型取1/4結(jié)構(gòu)，采用三維CAD建模工具Inventor完成，流體幾何模型見圖1.

（a）下腔室（b）上腔室圖 1流體幾何模型

Fig.1Fluid geometry model

2計(jì)算方法

在完成CAD模型之后，采用網(wǎng)格生成工具ANSYSICEM進(jìn)行網(wǎng)格劃分.因局部結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，故采用六面體與四面體相結(jié)合的網(wǎng)格劃分策略，并在壁面附近添加邊界層網(wǎng)格，模型網(wǎng)格見圖2.考慮到下腔室模型中反應(yīng)堆入口、導(dǎo)流圍板、堆芯下支承板和上腔室中堆芯上支承板、反應(yīng)堆出口等部位的流場(chǎng)變化比較明顯，在這些位置進(jìn)行局部網(wǎng)格加密.在模型壁面附近設(shè)置5層邊界層，網(wǎng)格需要滿足無(wú)關(guān)性.CFD計(jì)算包括前、后處理，都采用FLUENT完成.采用不可壓縮定常流體模型，湍流模型選用可實(shí)現(xiàn)kε模型，進(jìn)口邊界條件設(shè)為速度入口，出口邊界條件設(shè)為壓力出口.將計(jì)算后的結(jié)果與基于經(jīng)典流體力學(xué)公式開發(fā)的軟件THRIVE的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以確保結(jié)果有效.

（a）下腔室（b）上腔室圖 2流體有限元模型

Fig.2Fluid finite element model

3結(jié)果分析

為驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，分別取各段的壓降進(jìn)行分析.下腔室中各段壓降的位置見圖3.將所取各段的值與理論計(jì)算得到的值進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)CFD計(jì)算的結(jié)果相對(duì)較大，這是由于在CFD計(jì)算中反應(yīng)堆模型進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化，去除部分用于減阻的倒角等結(jié)構(gòu).以反應(yīng)堆堆內(nèi)的總壓降為例，CFD的計(jì)算結(jié)果與理論計(jì)算程序計(jì)算結(jié)果的相對(duì)誤差為8.7%，是工程上可被接受的誤差范圍.由此可見，采用CFD技術(shù)進(jìn)行反應(yīng)堆內(nèi)流場(chǎng)分析可行，可以有效驗(yàn)證相應(yīng)的結(jié)果.如果需要增加安全性，可以在關(guān)鍵部件處增加一定的保守因數(shù)，以確保反應(yīng)堆的整體安全裕量.

圖 3在下腔室模型中各截面的位置示意圖，m

Fig.3Location of sections in lower plenum model， m

在下腔室模型中，取堆芯下支承板與堆芯連接處的截面進(jìn)行流量分配計(jì)算，采用歸一化統(tǒng)計(jì)方法得到堆芯流量分配情況見圖4，可知，反應(yīng)堆的堆芯流量分配比較理想，可以將偏差控制在4%以內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求.在上腔室模型中，取出口管嘴中軸線高度處的截面上x，y和z方向的速度矢量圖，考察上腔室橫向流的分布，見圖5，可知，x和y方向的速度明顯高于z方向，說(shuō)明上腔室內(nèi)存在較大的橫向流，且越靠近反應(yīng)堆出口的位置橫向流速越大.橫向流速通過(guò)功率譜密度轉(zhuǎn)化后形成流致載荷，可應(yīng)用于上腔室內(nèi)導(dǎo)向筒和支撐柱的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析，詳細(xì)的CFD計(jì)算結(jié)果可用于后續(xù)的流致振動(dòng)分析，為反應(yīng)堆上部堆內(nèi)構(gòu)件的優(yōu)化提供支持.圖 4堆芯入口流量分配的歸一化結(jié)果

Fig.4Core inlet flow rate distribution normalized results

（a）x方向（b）y方向（c）z方向

圖 5上腔室流場(chǎng)的分布，m/s

Fig.5Upper plenum fluid field distribution， m/s

4結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)反應(yīng)堆內(nèi)上、下腔室的流場(chǎng)分析得到反應(yīng)堆內(nèi)流場(chǎng)的分布情況.通過(guò)與理論計(jì)算軟件計(jì)算結(jié)果的比較說(shuō)明反應(yīng)堆內(nèi)流場(chǎng)采用CFD技術(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算可行.與保守的理論計(jì)算程序相比，CFD的計(jì)算結(jié)果可提供更加真實(shí)、詳細(xì)的反應(yīng)堆內(nèi)部流場(chǎng)分布情況，為進(jìn)一步的分析改進(jìn)提供設(shè)計(jì)依據(jù)，可廣泛應(yīng)用于反應(yīng)堆內(nèi)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中.參考文獻(xiàn)：endprint

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