棒束組件中流場(chǎng)特性研究進(jìn)展與思考

摘要：核電站中核燃料處于不斷消耗和補(bǔ)充換料的動(dòng)態(tài)循環(huán)過(guò)程中，先進(jìn)燃料組件的研發(fā)對(duì)核電站的經(jīng)濟(jì)性和安全性提高有重要意義，其熱工性能的提升主要依賴于燃料棒束中流場(chǎng)的合理分布。由于燃料組件由多根元件棒組成，且軸向周期性布置多個(gè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的定位格架用于固定和攪混，使得燃料棒束組件中流場(chǎng)特性也十分復(fù)雜。本文對(duì)棒束組件中流場(chǎng)特性的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展進(jìn)行調(diào)研，并思考棒束組件研究中存在的問(wèn)題，為先進(jìn)燃料組件的研發(fā)提供參考借鑒。

關(guān)鍵詞：燃料組件；流場(chǎng)特性；研究進(jìn)展

中圖分類號(hào)： TL334 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）07（c）-0000-00

1 前言

燃料組件是核電站的核心部件之一，在役運(yùn)行的核電站中燃料成本占總運(yùn)行成本的近30%，研發(fā)具有高燃耗、低破損、長(zhǎng)循環(huán)、高可靠性和良好熱工水力性能等優(yōu)點(diǎn)的先進(jìn)燃料組件，是世界各大核電公司、機(jī)構(gòu)致力改善核電站安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性的有效手段，也是我國(guó)核電國(guó)產(chǎn)化的關(guān)鍵。燃料組件由元件棒和定位格架組成復(fù)雜的開式通道，系統(tǒng)掌握燃料組件中的流場(chǎng)行為特性，是優(yōu)化其熱工水力性能的關(guān)鍵一步，也是建立燃料組件設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)體系，突破先進(jìn)燃料組件自主設(shè)計(jì)技術(shù)的重要基礎(chǔ)。

2 國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展與分析

為了掌握復(fù)雜棒束組件中的冷卻劑熱工水力特性，國(guó)內(nèi)外研究人員從20世紀(jì)60、70年代起開展了廣泛的實(shí)驗(yàn)研究，研究?jī)?nèi)容主要包括：無(wú)定位格架光棒束內(nèi)橫向壓力梯度產(chǎn)生的子通道間“自然”交混、定位格架對(duì)棒束通道間交混的影響、帶定位格架棒束組件中軸向壓降和橫向壓力分布、定位格架交混翼對(duì)軸向和橫向流速分布特性的影響、定位格架附近湍流度增加產(chǎn)生的換熱增強(qiáng)及臨界熱流密度特性等等。針對(duì)棒束組件中流動(dòng)特性的研究如下。

2.1 帶定位格架棒束組件中流動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)研究

中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院的胡俊[1]在1992年采用二維三光束LDV系統(tǒng)對(duì)棒束組件中單相流場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)試。熊萬(wàn)玉等人[2]在此基礎(chǔ)上改進(jìn)了實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)帶2個(gè)定位格架的5×5棒束組件中三維單相流場(chǎng)進(jìn)行了可視化實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)用二維三光束LDV系統(tǒng)測(cè)量獲得棒束組件中流體軸向流速和橫流速度的分布，結(jié)果表明：流體經(jīng)過(guò)定位格架后，橫向速度加強(qiáng)，軸向速度波動(dòng)較大；不同通道內(nèi)橫向速度和軸向速度不相同，邊通道的速度小于中心通道速度。

日本三菱重工在采用CFD方法研發(fā)高性能燃料組件的過(guò)程中，開展了相應(yīng)的帶定位格架棒束組件流場(chǎng)特性實(shí)驗(yàn)，用來(lái)校驗(yàn)和開發(fā)CFD模型。Ikeda等人[3]采用元件棒內(nèi)嵌LDV系統(tǒng)測(cè)量獲得5×5棒束組件中棒間隙處的軸向和橫向流速實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

為了獲得CFD模型校驗(yàn)與開發(fā)所需的帶定位格架棒束組件中冷卻劑流動(dòng)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，21世紀(jì)初幾年，西屋公司與Clemson大學(xué)合作開展了一系列棒束組件流場(chǎng)測(cè)量可視化實(shí)驗(yàn)[4]-[5]。實(shí)驗(yàn)采用PIV測(cè)量技術(shù)，對(duì)5×5棒束組件中定位格架下游單個(gè)子通道[4]和多個(gè)子通道內(nèi)[5]橫向流速進(jìn)行了測(cè)量，通過(guò)使用透明的聚碳酸酯流道和部分石英元件棒使激光層到達(dá)測(cè)量區(qū)域，并在流道末端伸入測(cè)量管用以拍攝示蹤粒子。實(shí)驗(yàn)獲得了撕裂式交混翼作用下通道內(nèi)橫向速度分布及渦旋特性，但該方法測(cè)量范圍較小，且測(cè)量管會(huì)對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生干擾。

近幾年隨著高頻、高分辨率PIV技術(shù)的快速進(jìn)步，西屋公司又與Texas大學(xué)合作重新進(jìn)行5×5棒束組件中CFD校驗(yàn)基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)研究[6]。Texas大學(xué)對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了改進(jìn)，采用全透明流道，以及折射率與水匹配的材料加工元件棒，消除了測(cè)量裝置對(duì)流場(chǎng)的干擾。實(shí)驗(yàn)測(cè)量獲得了5×5棒束組件不同子通道內(nèi)軸向流速和不同軸向位置處橫向流速動(dòng)態(tài)分布和變化特性可視化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理獲得了定位格架附近湍流強(qiáng)度、渦流特征等流場(chǎng)信息。

近年來(lái)棒束通道相關(guān)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)研究的趨勢(shì)是在三維空間內(nèi)進(jìn)行精細(xì)的流場(chǎng)可視化定量測(cè)量，獲得的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)能夠加深人們對(duì)定位格架作用下棒束組件中流場(chǎng)分布和演化內(nèi)在機(jī)制的認(rèn)識(shí)，并為用于定位格架設(shè)計(jì)的CFD數(shù)值計(jì)算模型校驗(yàn)提供基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

2.2 棒束組件中流場(chǎng)特性理論計(jì)算及CFD的應(yīng)用

相對(duì)實(shí)驗(yàn)研究，理論計(jì)算具有費(fèi)用低、危險(xiǎn)小和周期短的優(yōu)點(diǎn)，尤其在設(shè)計(jì)研發(fā)階段，采用理論計(jì)算可以進(jìn)行不同設(shè)計(jì)方案的對(duì)比分析和預(yù)先評(píng)估，從而大大減少了研發(fā)費(fèi)用，縮短了研發(fā)周期。

在燃料組件研發(fā)中，采用CFD局部尺度模擬程序能夠更精確地模擬棒束組件中的復(fù)雜熱工水力現(xiàn)象，有利于把握定位格架設(shè)計(jì)和優(yōu)化中存在的細(xì)節(jié)問(wèn)題。隨著近年來(lái)計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速進(jìn)步、CFD物理模型和數(shù)值計(jì)算方法的豐富和成熟，CFD方法已在燃料組件設(shè)計(jì)和安全分析中得到越來(lái)越多的重視和應(yīng)用。

在利用單相CFD方法進(jìn)行燃料組件流場(chǎng)研究和定位格架設(shè)計(jì)方面具有較大影響的工作包括：日本三菱重工借助單相CFD方法完成的高熱工性能定位格架研制；美國(guó)西屋公司進(jìn)行的棒束組件中流動(dòng)換熱特性CFD計(jì)算基準(zhǔn)問(wèn)題研究等。

三菱重工在研制高熱工性能定位格架的過(guò)程中系統(tǒng)地研究和發(fā)展了CFD技術(shù)[3]，[7]，設(shè)計(jì)中用CFD計(jì)算了定位格架下游的橫向流動(dòng)、壓力損失系數(shù)和相同功率下燃料棒周圍的峰值溫度，并采用壓降、交混和DNB實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)CFD模型進(jìn)行了驗(yàn)證。通過(guò)以峰值溫度與平均溫度之差作為評(píng)價(jià)依據(jù)對(duì)幾種格架進(jìn)行篩選，建立了一套“先采用CFD方法進(jìn)行性能預(yù)測(cè)，再采用CHF實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證”的格架研制方法體系。三菱重工的研究表明，采用單相CFD方法計(jì)算和評(píng)價(jià)棒束組件定位格架的熱工水力性能，指導(dǎo)定位格架設(shè)計(jì)是可行的。

西屋公司的Conner等人[8]對(duì)用CFD進(jìn)行PWR燃料組件熱工水力性能設(shè)計(jì)研究基準(zhǔn)工作進(jìn)行了總結(jié)，并給出了西屋公司利用STAR-CD進(jìn)行堆芯工況下燃料組件設(shè)計(jì)的CFD計(jì)算模型及準(zhǔn)則。西屋公司的研究表明：帶交混翼定位格架的棒束組件中三維流場(chǎng)非常復(fù)雜；盡管單相CFD計(jì)算方法已比較成熟，但針對(duì)棒束組件開發(fā)的CFD模型仍需要經(jīng)過(guò)充分的驗(yàn)證才能得到正確的計(jì)算結(jié)果；完成基準(zhǔn)驗(yàn)證工作后，CFD程序作為一種“工具”可以用于定位格架熱工水力性能的設(shè)計(jì)和研究。

隨著我國(guó)高性能先進(jìn)燃料組件國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程的啟動(dòng)和推進(jìn)，從20世紀(jì)末至今，國(guó)內(nèi)也有很多研究者采用CFD方法在棒束燃料組件中熱工水力特性分析和定位格架設(shè)計(jì)、優(yōu)化等方面開展了大量的研究，相關(guān)研究工作主要集中在中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院。熊萬(wàn)玉[2]在其LDV可視化實(shí)驗(yàn)測(cè)量的基礎(chǔ)上，采用CFX4程序?qū)?jiǎn)化后的2×2帶定位格架棒束組件中三維單相流場(chǎng)進(jìn)行了理論計(jì)算，計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)總體相符，證明了CFD方法用于格架附近單相流場(chǎng)計(jì)算分析的可行性。田瑞峰等人[9]將帶定位格架棒束組件的CFD模型從2×2擴(kuò)展到5×5，并采用混合網(wǎng)格和改進(jìn)的SIMPLEC算法，針對(duì)定位格架各典型部件對(duì)流場(chǎng)的影響進(jìn)行了CFD計(jì)算分析。陳畏葓等人[10]研究了CFD技術(shù)在格架優(yōu)化設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用，他們針對(duì)不同的定位格架交混翼設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了CFD模擬計(jì)算，并以流體最高溫度、熱通道平均溫度、橫向流交混因子等為評(píng)價(jià)準(zhǔn)則對(duì)幾種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了對(duì)比分析，初步提出了定位格架篩選的方法。陳杰[11]在用CFD方法進(jìn)行定位格架交混性能評(píng)價(jià)方面做出了進(jìn)一步努力，提出了定位格架整體交混性能評(píng)價(jià)的“交混非均勻度因子”，并基于CFD計(jì)算分別對(duì)商用17×17定位格架和實(shí)驗(yàn)用5×5定位格架進(jìn)行了初步評(píng)價(jià)。

采用CFD方法對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的棒束組件中三維流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的分布及其演化特性進(jìn)行模擬計(jì)算，可以獲得詳細(xì)的局部流動(dòng)和傳熱信息，有助于更好地理解其中的熱工水力現(xiàn)象。國(guó)外已有成功將單相CFD方法應(yīng)用于先進(jìn)燃料組件研發(fā)中的經(jīng)驗(yàn)，國(guó)內(nèi)也在先進(jìn)燃料組件的自主設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行了大量的CFD計(jì)算分析；而國(guó)外十分重視程序的驗(yàn)證，開展了系統(tǒng)性的基準(zhǔn)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)對(duì)CFD模型和算法等進(jìn)行驗(yàn)證優(yōu)化，國(guó)內(nèi)在相關(guān)方面則相對(duì)薄弱，僅開展了少量探索性基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和CFD程序驗(yàn)證工作。開展基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)，對(duì)CFD模型和算法等進(jìn)行驗(yàn)證優(yōu)化，有助于保證數(shù)值計(jì)算結(jié)果的正確性和精確性，從而為CFD方法在先進(jìn)燃料組件研發(fā)和定位格架設(shè)計(jì)、篩選中的有效應(yīng)用奠定關(guān)鍵性的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3 思考與結(jié)論

先進(jìn)燃料組件在反應(yīng)堆中規(guī)?；瘧?yīng)用后能夠產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)效益，國(guó)外經(jīng)過(guò)數(shù)十年不斷努力，已成功研發(fā)了多個(gè)系列的先進(jìn)燃料組件；我國(guó)只有自主化研發(fā)先進(jìn)燃料組件，才能突破國(guó)外知識(shí)產(chǎn)權(quán)帶來(lái)的種種限制并有效降低核電站運(yùn)營(yíng)成本。

在先進(jìn)燃料組件熱工水力設(shè)計(jì)方面，國(guó)外經(jīng)過(guò)數(shù)十年不斷的研究，已形成格架設(shè)計(jì)、優(yōu)化、評(píng)價(jià)的完整體系；國(guó)內(nèi)燃料組件國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程啟動(dòng)多年尚無(wú)突破性進(jìn)展，流場(chǎng)特性基礎(chǔ)研究尤其是關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的缺乏，已成為格架設(shè)計(jì)優(yōu)化和國(guó)產(chǎn)化的重要制約因素。

針對(duì)棒束組件中三維流場(chǎng)特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量，可以加深對(duì)定位格架作用下棒束組件中冷卻劑流動(dòng)特性的微觀機(jī)理認(rèn)識(shí)，為定位格架性能的工程評(píng)價(jià)和CFD數(shù)值模型的基準(zhǔn)校驗(yàn)提供定量精細(xì)測(cè)量的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并為棒束組件中其他相關(guān)研究奠定理論和技術(shù)基礎(chǔ)，對(duì)先進(jìn)燃料組件的研發(fā)和定位格架的優(yōu)化改進(jìn)具有重要的科學(xué)指導(dǎo)意義。

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