基于RELAP5的高溫棒束通道再淹沒數(shù)值模擬研究

楊生興，佟立麗，曹學武,王小吉，侯麗強

(1.上海交通大學機械與動力工程學院，上海 200240;2.中國核動力研究設計院核反應堆系統(tǒng)設計技術(shù)重點實驗室，四川 成都 610041)

基于RELAP5的高溫棒束通道再淹沒數(shù)值模擬研究

楊生興1，佟立麗1，曹學武1,王小吉2，侯麗強2

(1.上海交通大學機械與動力工程學院，上海 200240;2.中國核動力研究設計院核反應堆系統(tǒng)設計技術(shù)重點實驗室，四川 成都 610041)

基于ABB Atom 3×3棒束再淹沒實驗，運用RELAP5建立其實驗裝置的定流量再淹沒計算模型，通過與實驗結(jié)果做比對驗證模擬的有效性，研究在高、低兩種注水流量下從底部再淹沒高溫棒束通道時的不同驟冷現(xiàn)象，分析期間的流動形態(tài)、傳熱特性，液位進程，先驅(qū)冷卻效果差異等。模擬結(jié)果表明：低流量下主液位落后于驟冷前沿，高流量下驟冷前沿明顯落后于主液位；通過對比發(fā)現(xiàn)在高流量下的高液位為高溫壁面帶來更強的先驅(qū)冷卻，使壁面溫度更快的降到再濕溫度，而低流量下幾乎勻速上升的液位變化進程對前沿下游的高溫壁面冷卻較慢，需要更長的時間才能降到再濕溫度。這些分析將為研究此模型下的重力注水打下堅實的基礎。

再淹沒；RELAP5；先驅(qū)冷卻

1 前言

核反應堆冷卻劑喪失事故(LOCA)下，應急堆芯冷卻系統(tǒng)對堆芯快速再淹沒、對衰變熱的導出非常重要。反應堆采用高、中、低三種安注系統(tǒng)向堆芯注水，能動系統(tǒng)依賴安注泵定流量注水，非能動系統(tǒng)采用自然力不定流量注水。淹沒驟冷現(xiàn)象是一種伴有急劇汽化的汽液兩相流，常見的再淹沒現(xiàn)象(也叫再濕潤)分為頂部淹沒，汽膜崩塌再濕潤，底部淹沒，用液滴再濕潤等[1]。國際上對于再淹沒驟冷現(xiàn)象的研究多以實驗為主；也有采用數(shù)值模擬的方法，通過與實驗結(jié)果對比以此改進相關模型的研究。比較知名的實驗研究為德國的QUENCH系列驟冷實驗，主要研究鋯包殼在再淹沒階段氧化釋氫的熱工水力特性[2]，以及驟冷現(xiàn)象對包殼和棒束的腐蝕破壞[3]等。

首先，在頂部淹沒方面有大量的實驗研究，Nada等[4]對高溫單管的下降液膜再濕潤過程開展實驗研究，分析了不同的蒸汽排放方式(頂部、底部、同時頂部和底部)對注水速率的影響，結(jié)果表明當存在汽液逆向流動時，驟冷產(chǎn)生的大量蒸汽對下降液膜的阻礙作用是明顯的，甚至在汽相流速達到極限值時出現(xiàn)液膜的向上流動。Sahu等[5]針對高溫單通道頂部再淹沒開展實驗研究，主要研究大流量下壁溫、過冷度、流量等因素對淹沒速率的影響，發(fā)現(xiàn)淹沒速率與Bi數(shù)成正比，與先驅(qū)冷卻的量級成反比。郎雪梅和黃彥平等人采用瞬態(tài)熱塊實驗技術(shù)和非穩(wěn)態(tài)二維數(shù)值分析方法研究了低壓低流量條件下豎直管內(nèi)頂部驟冷過程中驟冷前沿區(qū)域的傳熱特性[6]和驟冷前沿的推進速度[7]。

其次，在底部再淹沒方面，Tuzla等[8]開展的3×3棒束再淹沒實驗，得出驟冷時間隨流道中含汽率的增大、注入水過冷度的增大以及注水質(zhì)量流量的增大而減小的變化規(guī)律。Saxena等[9]開展的3mm窄縫的環(huán)型豎直通道再淹沒實驗，實驗結(jié)果給出了不同過冷度，不同壁溫，不同注入流量下的再淹沒速率，通過擬合實驗數(shù)據(jù)得給出了再淹沒速率的實驗關聯(lián)式。Koszela等[10]開展ABB Atom 3×3 棒束再淹沒實驗，研究定位格架及其交混翼對棒束再淹沒的流動傳熱影響，給出了棒束在再淹沒過程中的流動傳熱特性的數(shù)據(jù)，包括不同高度處包殼溫度變化、、再淹沒速率等。Elias等[11]改進了RELAP5/MOD3.1的再淹沒模型，許多棒束和獨立參數(shù)效應的實驗都驗證了改進版本的再淹沒模型的有效性。曾未等[12]對于RELAP5再淹沒模型對于窄縫通道適用性開展了研究，指出RELAP5再淹沒模型對于棒束通道符合較好(RELAP5再淹沒模型的驗證實驗就是淹沒棒束通道)，而對于窄縫小尺寸通道中的蒸汽堵塞等現(xiàn)象估計不足。

綜上所述，對于再淹沒過程中驟冷前沿推進速率，驟冷前沿區(qū)域的傳熱特性和流動形態(tài)都有了較為成熟的理論，但是在高、低不同流量下再淹沒期間的流動形態(tài)、傳熱特性，液位進程，先驅(qū)冷卻效果等差異對分析重力注水再淹沒(高、低流量交替出現(xiàn))時至關重要。

本文采用棒束再淹沒模型，運用RELAP5模擬高溫棒束通道的底部再淹沒現(xiàn)象，首先對ABB Atom 3×3棒束再淹沒實驗裝置建模，開展實驗工況下模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)的比對，驗證所建模型的有效性，之后模擬再現(xiàn)棒束通道從底部注水時在高低兩種注入流量下的再淹沒現(xiàn)象，分析流動和傳熱特性、液位進程、先驅(qū)冷卻效果在高、低兩種流量下的差異。

2 棒束再淹沒實驗模型的驗證

根據(jù)ABB Atom 3×3棒束再淹沒實驗建立相關數(shù)值模型，驗證棒束再淹沒模型的有效性性，之后用此模型分別做高、低注水流量下的模擬試驗，由模擬試驗結(jié)果進行再淹沒過程的流動和傳熱分析。

2.1 ABB Atom 3×3棒束再淹沒實驗

ABB Atom 3×3棒束再淹沒實驗是在低壓力下采用低流量向棒束通道注水，如圖1所示，棒束通道結(jié)構(gòu)是長為3.658m，橫向40mm×40mm的矩形通道中均勻方正的排列9根功率相同的加熱管，加熱管包殼內(nèi)壁裝有熱電偶，每根都在3個不同高度的位置安裝，而且加熱棒軸向功率按余弦狀分段分布，軸向功率峰因子為1.55[10]。棒束通道入口處由一個供水箱連帶循環(huán)泵、冷凝器、加熱器、渦輪流量計及流量控制閥組成的供水系統(tǒng)為通道提供特定過冷度和流量的注入水，棒束通道的出口除了連接一個封閉的夾帶液滴收集室外通向一個穩(wěn)壓器，這個穩(wěn)壓器保證了棒束通道出口是一個恒定壓力的環(huán)境。

實驗過程分為兩個階段，分別是：在過熱蒸汽的環(huán)境下加熱棒束直到某一個測溫點(熱電偶焊接在加熱棒包殼內(nèi)壁面上)溫度達到預定初始壁溫的過程和用定流量注水淹沒整個通道的過程。在開始注水的瞬間也將停止以原有功率對加熱棒的繼續(xù)加熱，取而代之的是以反應堆停堆后功率衰減相同比例的衰減功率繼續(xù)加熱，直到淹沒整個棒束通道時停止。棒束通道的詳細尺寸和加熱棒結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)詳見圖1，圖2列示了加熱棒軸向功率分布詳細數(shù)據(jù)及最熱的中心通道的測溫點位置，表1中所列的試驗工況便是模擬計算跟實驗數(shù)據(jù)對比驗證的工況。

圖3 實驗回路節(jié)點劃分Fig.3 Nodalization of experiment loop

2.2 模擬模型的建立

如圖3所示實驗回路節(jié)點劃分圖，將正中心最熱通道獨立建成一個管型水力學部件控制體140，余下的8個通道合為一個管型控制體130，軸向控制體數(shù)都為40。管型部件140和管型部件130之間的所有軸向相對應的控制體都由橫向流接管180連接，顯示兩個部件之間的質(zhì)量、動量、能量的交換。入口處的水力學部件采用一個時間相關控制體110來給出注入水的溫度，及一個時間相關接管111給出注水流量，分支部件120模擬下腔室，通過接管分別連接140和130；出口處用分支部件150模擬上腔室，單一控制體160模擬夾帶液滴收集室，時間相關控制體170來給出蒸汽出口的穩(wěn)壓環(huán)境。

熱構(gòu)件方面，由于圍板厚度很薄且有保溫材料來保溫，其吸放熱可以忽略不計，而加熱棒功率大，是棒束通道的主要熱量來源和貯存地，故為主要考慮項。熱構(gòu)件1400模擬中心加熱棒，其右邊界控制體便是模擬中心流道的管型水力學部件140；熱構(gòu)件1300模擬中心加熱棒四周8根加熱棒，其熱功率及傳熱面積都等效為8根加熱棒的。熱構(gòu)件軸向網(wǎng)格點劃分和熱源都依據(jù)圖1和圖2相應數(shù)據(jù)，加熱功率便如圖2所示的余弦狀分布。

Trip信號方面，當中心流道的加熱棒對應熱構(gòu)件第23個節(jié)點控制體(由3×3棒束通道決定著中心流道最熱，由余弦狀軸向功率分布決定著越靠近中間段越熱，而2.056m測溫點正好在第23個控制體內(nèi))包殼內(nèi)壁網(wǎng)格點溫度達到973K時，發(fā)出一個Trip信號，將時間相關接管111的注入水流量給定為該相應試驗工況下的定流量并開始注水。

表1 實驗工況Table 1 Overview of experimental parametersand conditions

2.3 模型有效性驗證結(jié)果

在定流量下的再淹沒驟冷過程中，高溫壁面包殼溫度變化情況可由5個溫度和時間參數(shù)來描述，分別是壁面初始溫度Tin，壁面到達峰值溫度的時間tturn(s)和峰值溫度高于壁面初始溫度的部分ΔTrise(K)，以及注入水再淹沒壁面所需的時間tquench(s)和壁面再濕潤溫度Tquench，這些參數(shù)能較為全面有效地描述整個再淹沒過程。

在堆芯熱工分析中熱管數(shù)據(jù)是最具價值的，這里主要比較中心棒束通道加熱棒內(nèi)壁面溫度變化，這也是實驗回路節(jié)點劃分時分為中心通道和四周通道的主要原因。在如表1所示的試驗工況下，用所建模型計算出各個節(jié)點熱構(gòu)件包殼內(nèi)壁面的溫度變化；由圖2中已知中心通道軸向三個測溫點依次包含于模型的第23、26、29個節(jié)點，將這三個節(jié)點的熱構(gòu)件包殼內(nèi)壁面的溫度變化與實驗測溫點測得的溫度變化作對比。因原實驗所得信息有限，只作第三個測溫點的詳細數(shù)據(jù)對比。

如圖4至圖6所示，通過對比，模擬計算結(jié)果中三個節(jié)點的包殼內(nèi)壁面的溫度變化跟實驗數(shù)據(jù)中三個測溫點的溫度變化吻合較好，變化趨勢基本一致，模擬結(jié)果的Tin、tquench和Tquench完全符合實驗結(jié)果。但也發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果的ΔTrise偏小，而實驗中有一個明顯的拋物線狀的凸起，其次tturn也比較靠后，其原因是同比例的衰變熱功率偏小，及模擬給出的是高0.09145m控制體的平均溫度，而實驗中是點溫度。

圖4 第一個測溫點的溫度對比Fig.4 Temperature comparison at first point

圖5 第二個測溫點的溫度對比Fig.5 Temperature comparison at second point

圖6 第三個測溫點的溫度對比Fig.6 Temperature comparison at third point

實驗給出的最熱通道中加熱棒第三個測溫點的驟冷時間是tquench=228s，模擬結(jié)果為232s，吻合較好；實驗給出第三根加熱棒第三個測溫點的驟冷時間tquench=256s，而模擬計算所得為251s，吻合較好，如表2所示?？梢詮膬蓚€通道的第三個測溫點的淹沒時間看出，計算的再淹沒速率與實驗基本吻合，可以說所建RELAP5計算模型能很好地模擬此棒束通道的再淹沒實驗。

表2 實驗和計算參數(shù)對比Table 2 comparison between experimental parameters and numerical parameters

3 不同流量下再淹沒過程分析

驟冷前沿的移動速度決定于前沿附近流動傳熱狀態(tài)和壁面軸向?qū)崆闆r，正如Sahu等[5]所說的，淹沒速率與Bi數(shù)成正比，與先驅(qū)冷卻的量級成反比；而主液位的移動速度主要取決于流量的大小和蒸發(fā)速率。由于兩者的影響因素各異，在不同大小的流量條件下，表現(xiàn)出不同的流動傳熱特性。

3.1 低流量下再淹沒過程分析

低流量下的驟冷過程最明顯的特征是：主液位向上移動的速度趕不上驟冷前沿移動的速度，這也決定了液位上升的速度主要取決于注入流量，進而決定了低流量下的流動和傳熱特性。如圖7所示的低流量下(初始壁溫1300K，流量0.1kg/s，再淹沒開始于160s，160s前用于加熱棒束到1300K)第20節(jié)點液相份額、包殼溫度、壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)耦合變化可以看出：在壁面被液相浸潤之前，第20節(jié)點的液相份額保持在0.2以下，且壁面被浸潤以后，并不是立刻被液相全部充滿，而是有一段時間的延遲，壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)在壁面溫度階躍降低的時刻出現(xiàn)極大值，由此便可推斷出此時此刻便是第20節(jié)點被液相浸潤的時刻，也即驟冷前沿經(jīng)過第20節(jié)點的時刻。

圖7 低流量下第20節(jié)點液相份額、包殼溫度、壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)耦合變化Fig.7 Coupling fluctuation in liquid fraction，cladding temperature and heat transfer coefficient of cladding at the 20th node under low flow rate

根據(jù)棒束通道中的質(zhì)量流密度，軸向各個節(jié)點的液相份額變化，及RELAP5程序中的參數(shù)αBS，確定各節(jié)點中液相份額首次達到0.72便為液位所在。如圖8所示為低流量下的液位變化進程，液位在棒束通道下半部分時變化比較平緩，幾乎是勻速上升；上半部分時上升速度較快，呈現(xiàn)這樣變化的主要原因是液位上升的速度取決于流量，下半部分和上半部分速度差異的原因主要有兩個：其一，余弦狀的壁面初始溫度分布在再淹沒過程中形似“先上樓梯、后下樓梯”，導致淹沒下半部分棒束時液位上升緩慢，上半部分棒束時較為快速；其二，驟冷導致的液滴夾帶及蒸汽流夾裹液滴的兩相流對上部棒束壁面的先驅(qū)冷卻使得淹沒上半部分棒束通道時液位上升較快。

3.2 高流量下再淹沒過程分析

當壁面溫度遠大于相應工況下的再濕溫度(壓力在4MPa以下時，再濕溫度大約比飽和溫度高100℃)時，是不可能被水浸潤的，只有當壁面被先驅(qū)冷卻降溫到最小膜態(tài)沸騰溫度以下時，才會被水浸潤，繼而以更高速的傳熱效率進行汽化，這是再淹沒傳熱中的一般規(guī)律。如圖9所示，從在高流量注水的情況下(初始壁溫1300K，流量0.9kg/s)，棒束通道中部的第20個節(jié)點的液相份額、包殼溫度、壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)耦合變化來分析，注水開始不久液相幾乎充滿著整個節(jié)點控制體(但也不是完全充滿，尚有0.1左右的汽相份額)，但其壁面溫度卻遠高于此時水的再濕溫度，其壁面溫度在過了很長一段時間后才出現(xiàn)陡降，傳熱系數(shù)峰值也在此時出現(xiàn)，可以判斷出此刻便是驟冷前沿經(jīng)過第20節(jié)點的時刻。在壁面未被浸潤的時間段內(nèi)，高流量下的壁面溫度下降速率相較于低流量快很多，這表明高流量下的先驅(qū)冷卻比低流量下的先驅(qū)冷卻更有成效。

圖8 低流量下再淹沒過程中棒束通道液位變化Fig.8 Variation of liquid level in the buddle channel under low flow rate

如圖10所示為高流量下的液位變化進程，注水一開始液位便迅速的攀升，幾乎充滿了大半個棒束通道，此后液位略有下降，但下降幅度不大，液位基本保持平穩(wěn)；

圖9 高流量下第20節(jié)點液相份額、包殼溫度、壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)耦合變化Fig.9 Coupling fluctuation in liquid fraction，cladding temperature and heat transfer coefficient of cladding at the 20th node under high flow rate

圖10 高流量下再淹沒過程中棒束通道液位變化Fig.10 Variation of liquid level in the buddle channel under high flow rate

后期液位上升速率很快，因為夾帶液滴先前就已經(jīng)浸潤了蒸汽出口附近壁面。相比于勻速上升的定流量液位，高流量下的液位始終占據(jù)棒束通道2/3的空間，驟冷前沿始終落后于液位，這使得驟冷前沿和液位之間區(qū)段的汽化效率相比于單純的蒸汽沖刷有了極大地提高，這使得高流量下的先驅(qū)冷卻更為高效。其次，從淹沒整個通道所用時間來看，高流量下所用時間遠遠少于低流量下的。

4 總結(jié)

(1) 本文基于ABB Atom 3×3棒束再淹沒實驗建立了RELAP5再淹沒計算模型，經(jīng)實驗數(shù)據(jù)驗證模型的有效性之后，模擬再現(xiàn)了高低兩種流量注水時的再淹沒現(xiàn)象，并分別分析了流動傳熱特性。

(2) 通過對比高低流量下液位的變化進程發(fā)現(xiàn)，高流量注水時之所以能較為快速的淹沒棒束通道的一個重要原因是：高流量下液位與驟冷前沿之間的區(qū)段汽化效率很高，在CHF到來之前就提供了超強的先驅(qū)冷卻，這個區(qū)段是低流量下所沒有的。

(3) 此次定流量下高低流量注水再淹沒模擬試驗給不定流量的注水(如重力注水)模擬打下一個基礎，可作為高低兩種流量下流動傳熱特性對比參照的基礎。

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NumericalInvestigationontheRefloodingofahotVerticalBundle-channelbyRELAP5

YANGSheng-xing1，TONGLi-li1，CAOXue-wu1，WANGXiao-ji2,HOULi-qiang2

(1. School of Mechanical Engineering，SJTU，Shanghai，200240，China;2. Science and Technology on Reactor System Design Technology, Nuclear Power Institute of China, Chengdu of Sichuan Prov. 610041,China)

Based on ABB Atom 3×3 bundle reflooding experiment，RELAP5 code is used to build numerical model for reflooding phenomena with constant flow rate. Comparison between the numerical results and experiment results is conducted to verify the numerical model. Afterthat，the cases with high and low mass flow rate are investigated，focusing on the flow condition，heat-transfer characteristic，water level process and precursory cooling effect during the reflooding. The results show that the main liquid level is always behind quench front under low flow rate，while it is completely reversed under high flow rate. Though comparison，it shows that high water level at large flow rate bring more powerful precursory cooling effect for high-temperature cladding than the water level under low flow which nearly rises at a constant speed. This analysis will lay a foundation for gravity reflooding investigation under this numerical model.

Reflooding；RELAP5；Precursory cooling

2016-2-23

中國核動力研究設計院核反應堆系統(tǒng)設計技術(shù)重點實驗室基金資助(LRSDT2017402)

楊生興(1991—)，男，青海湟中人，碩士研究生，現(xiàn)從事核科學與技術(shù)方面研究

曹學武：caoxuewu@sjtu.edu.cn

TL364.4

A

0258-0918(2017)05-0852-08